repozitorij.fsb.hrrepozitorij.fsb.hr/6277/1/Pongrac_2016_zavrsni... · 2016-09-16 · i g? ! / + #...

SVEUČILIŠTE U ZAGREBUFAKULTET STROJARSTVA I BRODOGRADNJE

ZAVRŠNI RAD

Marko Pongrac

Zagreb, 2016.

SVEUČILIŠTE U ZAGREBUFAKULTET STROJARSTVA I BRODOGRADNJE

ZAVRŠNI RAD

Mentor: Student:

Prof. dr. sc. Danko Ćorić Marko Pongrac

Zagreb, 2016.

Izjavljujem da sam ovaj rad izradio samostalno koristeći stečena znanja tijekom studija i navedenuliteraturu.

Zahvaljujem se svojem mentoru prof. dr. sc. Danku Ćoriću na ukazanom strpljenju i velikoj pomoći.

Marko Pongrac Završni rad

SADRŽAJ

Sadržaj ........................................................................................................................................ I

Popis slika ................................................................................................................................... III

Popis tablica ................................................................................................................................ IV

Popis oznaka................................................................................................................................ V

Sažetak......................................................................................................................................... VII

Summary...................................................................................................................................... VIII

1. Uvod......................................................................................................................................... 1

2. Materijali za tlačnu opremu..................................................................................................... 3

3. Zahtjevi na materijale za dijelove pod tlakom......................................................................... 4

3.1. Zahtjevi na opterećenje i na pojavu krhkog loma............................................................ 4

3.2. Zahtjevi na zavarljivost.................................................................................................... 8

4. Čelici i čelični lijevovi za tlačnu opremu................................................................................ 9

4.1. Mikrostruktura čelika i utjecaj legirnih elemenata.......................................................... 9

4.2. Klasifikacija čelika za tlačnu opremu prema normi EN 13445-2................................... 14

4.3. Opći konstrukcijski čelici i čelični lijevovi..................................................................... 15

4.4. Čelici povišene čvrstoće.................................................................................................. 16

4.4.1. Sitnozrnati normalizirani mikrolegirani čelici (HSLA)........................................... 17

4.4.2. Sitnozrnati poboljšani čelici..................................................................................... 19

4.5. Visokočvrsti i ultračvrsti čelici ....................................................................................... 20

4.5.1. Niskolegirani niskopopušteni čelici......................................................................... 21

4.5.2. Visokolegirani visokopopušteni čelici..................................................................... 21

4.5.3. Temomehanički obrađeni čelici............................................................................... 22

4.5.4. Korozijski postojani precipitacijski očvrsnuti čelici ............................................... 25

4.5.5. Maraging čelici ....................................................................................................... 26

4.5.6. Primjena visokočvrstih i ultračvrstih čelika............................................................. 27

4.6. Korozijski postojani čelici............................................................................................... 28

4.6.1. Martenzitni korozijski postojani čelici..................................................................... 29

4.6.2. Feritni korozijski postojani čelici............................................................................ 30

Fakultet strojarstva i brodogradnje I


4.6.3. Martenzitno-feritni korozijski postojani čelici......................................................... 31

4.6.4. Austenitni korozijski postojani čelici....................................................................... 32

4.6.5. Dupleks (austenitno-feritni) čelici........................................................................... 33

4.6.6. Primjena korozijski postojanih čelika...................................................................... 35

4.7. Čelici za povišene i visoke temperature........................................................................... 35

4.7.1. Ugljični (nelegirani) čelici....................................................................................... 38

4.7.2. Niskolegirani Mo i Mo-Cr čelici............................................................................. 38

4.7.3. Visokolegirani super 12% Cr martenzitni čelici...................................................... 39

4.7.4. Visokolegirani austenitni Cr-Ni čelici...................................................................... 40

4.7.5. Vatrootporni čelici.................................................................................................... 40

4.7.6. Primjena čelika za povišene i visoke temperature................................................... 41

4.8. Čelici za niske i snižene temperature............................................................................... 42

4.8.1. Primjena čelika za niske i snižene tempearture....................................................... 44

5. Kompozitni materijali.............................................................................................................. 45

6. Neželjezne legure.................................................................................................................... 47

7. Zaključak................................................................................................................................. 49

8. Literatura.................................................................................................................................. 50

9. Prilog:....................................................................................................................................... 51

Fakultet strojarstva i brodogradnje II


POPIS SLIKA

Slika 1 – Tlačni spremnik.....................................................................................................................1Slika 2 – Primjeri raznih oblika tlačnih spremnika, 1) kuglasti, 2) valjkasti, 3) stožasti.....................1Slika 3 – Dijagram naprezanje-istezanje za normalizirani konstrukcijski čelik...................................5Slika 4 – Dijagram naprezanje-istezanje za različite skupine materijala.............................................6Slika 5 – Ispitivanje udarnog rada loma prema Charpyju ...................................................................7Slika 6 – Fe-C dijagram stanja za metastabilnu kristalizaciju..............................................................9Slika 7 – TTT dijagram za kontinuirano hlađenje (podeutektoidnog čelika sa x% ugljika)..............10Slika 8 – Mikrostruktura feritnog nehrđajućeg čelika .......................................................................10Slika 9 – Austenitna mikrostruktura kod čelika.................................................................................11Slika 10 – Feritno-perlitna mikrostruktura (ferit-bijelo, perlit-crno)..................................................11Slika 11 – Čelik martenzitne mikrostrukture .....................................................................................12Slika 12 – Čelik bainitne mikrostrukture............................................................................................12Slika 13 – Tlačni spremnik za transport tekućih plinova...................................................................18Slika 14 – Kuglasti tlačni spremnik za plinove .................................................................................20Slika 15 – Dijagram postupka TRIP...................................................................................................23Slika 16 – Dijagram perliforming postupka - kontinuirani i izotermički...........................................23Slika 17 – Dijagram isoforming postupka prikazan u izotermičkom TTT dijagramu.......................24Slika 18 – Postupak marforming – dinamičko deformacijsko starenje .............................................24Slika 19 – Toplinska obrada martenzitnih PH-čelika ........................................................................25Slika 20 – Dijagram postupka toplinske obrade maraging čelika .....................................................27Slika 21 – Kućište raketnog motora izrađenog od "maraging" čelika................................................28Slika 22 – Pseudobinarni dijagram stanja Cr-Ni-Fe uz 70% Fe.........................................................34Slika 23 – Tlačni spremnik izrađen od dupleks nehrđajućeg čelika...................................................35Slika 24 – Boce za ronjenje izrađene od austenitnog nehrđajućeg čelika..........................................35Slika 25 – Promjena mehaničkih svojstava s povišenjem temperature..............................................36Slika 26 – Pojava puzanja pri visokim temperaturama......................................................................36Slika 27 – Promjena savojne dinamičke izdržljivosti austenitnog čelika povišenjem temperature...37Slika 28 – Dijagrami postupaka toplinske obrade austenitnih toplinski visokopostojanih čelika......40Slika 29 – Parni kotao izrađen od ugljičnog (nelegiranog) čelika......................................................41Slika 30 – Kućište raketnog motora izrađeno od visokolegiranog Cr-Ni čelika................................42Slika 31 – Ovisnost udarnog rada loma o temperaturi za razne materijale........................................42Slika 32 – Ovisnost KV o temperaturi tipičnih vrsta čelika za rad pri niskim temperaturama ........43Slika 33 – Spremnik tekućeg dušika..................................................................................................44Slika 34 – Tlačni spremnici od polimernog kompozita .....................................................................46Slika 35 – Tlačni spremnik izrađen od aluminija...............................................................................47Slika 36 – Tlačni spremnik izrađen od Ni-legure ..............................................................................48

Fakultet strojarstva i brodogradnje III


POPIS TABLICA

Tablica 1 – Sitnozrnati normalizirani mikrolegirani čelici (HSLA) – kemijski sastav......................18Tablica 2 – Sitnozrnati normalizirani mikrolegirani čelici (HSLA) - mehanička svojstva................18Tablica 3 – Sitnozrnati poboljšani čelici - kemijski sastav.................................................................19Tablica 4 – Sitnozrnati poboljšani čelici - mehanička svojstva..........................................................19Tablica 5 – Niskolegirani niskopopušteni čelici - mehanička svojstva i kemijski sastav...................21Tablica 6 – Visokolegirani visokopopušteni čelici - mehanička svojstva i kemijski sastav...............22Tablica 7 – Mehanička svojstva isoforming obrađenih čelika...........................................................24Tablica 8 – Mehanička svojstva poluastenitnih PH-čelika.................................................................26Tablica 9 – Parametri toplinske obrade i mehanička svojstva austenitnih PH-čelika........................26Tablica 10 – Mehanička svojstva "maraging" čelika..........................................................................27Tablica 11 – Kemijski sastav martenzitnih nehrđajućih čelika .........................................................30Tablica 12 – Mehanička svojstva martenzitnih nehrđajućih čelika ...................................................30Tablica 13 – Mehanička svojstva feritnih nehrđajućih čelika............................................................31Tablica 14 – Austenitni nehrđajući čelici – kemijski sastav...............................................................32Tablica 15 – Austenitni nehrđajući čelici - mehanička svojstva.........................................................33Tablica 16 – Dupleks nehrđajući čelici - kemijski sastav...................................................................34Tablica 17 – Dupleks nehrđajući čelici - mehanička svojstva............................................................34Tablica 18 – Nelegirani čelici za kotlovske limove (izvod iz DIN-a 17175) ....................................38Tablica 19 – Niskolegirani Mo i Mo-Cr čelici za rad pri visokim temperaturama ...........................39Tablica 20 – Visokolegirani super 12% Cr martenzitni čelici – mehanička svojstva.........................39Tablica 21 – Vatrootporni čelici..........................................................................................................41Tablica 22 – Čelici za niske temperature - kemijski sastav................................................................44Tablica 23 – Čelici za niske temperature - mehanička svojstva.........................................................44

Fakultet strojarstva i brodogradnje IV


POPIS OZNAKA

Oznaka Jedinica Opis

A % istezljivost

A5 % istezljivost

Aϑ % istezljivost pri radnoj temperaturi

E N/mm2 modul elastičnosti

Eϑ N/mm2 modul elastičnosti pri radnoj tempertauri

F N sila

KIC N/mm-3/2 lomna žilavost

KU, KV J udarni rad loma po Charyju ("U" ili "V" urez)

L mm duljina

L0 mm početna duljina

p N/m2 tlak

Rd N/mm2 dinamička izdržljivost

RDVM/ϑ N/mm2 granica puzanja po DVM pri definiranoj temperaturi

Re N/mm2 granica razvlačenja

Rm N/mm2 vlačna čvrstoća

Rm/ϑ N/mm2 vlačna čvrstoća pri radnoj temperaturi

Rp0,2 N/mm2 konvencionalna granica razvlačenja

Rp0,2/ϑ N/mm2 konvencionalna granica razvlačenja pri radnoj temperaturi

Rp1/t/ϑ N/mm2 granica puzanja

S0 mm2 ploština poprečnog presjeka

T K Kelvinova temperatura

Tpuz K temperatura puzanja

ε mm/mm istezanje

σ N/mm2 naprezanje

ϑ °C Celziusova temperatura

ϑA °C temperatura austenitizacije

ϑd °C temperatura dozrijevanja

Fakultet strojarstva i brodogradnje V


Oznaka Jedinica Opis

ϑP °C temperatura popuštanja

ϑPrel °C prijelazna temperatura žilavosti

ϑR °C radna temperatura

ϑrž °C temperatura rastvornog žarenja

ϑt °C temperatura tališta

Fakultet strojarstva i brodogradnje VI


SAŽETAK

Tema ovog rada su materijali za izradu tlačnih spremnika. Tlačni spremnici su konstrukcije kodkojih postoje posebni zahtjevi na svojstva materijala koja su propisana normama. Za tlačnespremnike koriste se razne vrste materijala sa različitim svojstvima. Na osnovu proračuna u fazikonstruiranja spremnika, pa zatim svojstava i cijene pojedinih materijala, donose se odluke koji odmaterijala je prikladan za izradu spremnika za pojedinu specifičnu namjenu.

Fakultet strojarstva i brodogradnje VII


SUMMARY

This paper outlines materials for pressure vessels. Pressure vessels are structures for which there arespecial requirements on material properties which are prescribed by norms. Various types ofmaterials with different properties are used for pressure vessels. Based od calculations at theconstruction design phase of the vessel, and then the properties and prices of certain materials,decisions are made for which material is suitable as a pressure vessel material for a single specificpurpose.

Fakultet strojarstva i brodogradnje VIII


1. Uvod

Tlačni spremnici (Slika 1) su spremnici konstruirani da mogu držati plinove i tekućine čiji se tlakznatno razlikuje od tlaka okoliša. Tu spadaju: parni kotlovi, posude u procesnoj industriji i raznidrugi spremnici.

Slika 1 – Tlačni spremnik

Kod tlačnih spremnika uvijek postoji opasnost od kobnih nesreća, pa je stoga njihovo konstruiranje,proizvodnja i rad regulirano strogim zakonskim propisima. Proračuni kao bitne parametre uvijekuključuju maksimalni dozvoljeni radni tlak, otpornost na koroziju, minimalnu i maksimalnu radnutemperaturu i faktore sigurnosti koji su često visoki u usporedbi sa nekim drugim tipovimakonstrukcija. Također je vrlo bitno provođenje nerazornih ispitivanja tokom radnog vijeka opremekoje uključuju ultrazvučna ispitivanja, radiografiju i tlačne probe.

Tlačni spremnici se teoretski mogu konstruirati u bilo kojem obliku, no najčešće su konstruirani uobliku kugle, valjka ili stošca. Složeniji oblici tlačnih spremnika su teži za proračun i teže ih jeproizvesti.

1) 2) 3)

Slika 2 – Primjeri raznih oblika tlačnih spremnika, 1) kuglasti, 2) valjkasti, 3) stožasti

Tlačna oprema mora biti konstruirana za opterećenja koja odgovaraju njezinoj namjeni te za druge

∙Fakultet strojarstva i brodogradnje 1


predvidljive uvjete rada. Posebno se moraju uzeti u obzir sljedeći faktori:– unutarnji/vanjski tlak,– temperatura okoline i radna temperatura,– statički tlak i masa sadržaja u probnim uvjetima i uvjetima rada,– opterećenja vezana za promet, vjetar, potres,– sile reakcija i momenti koji proizlaze od oslonaca, priključaka, cijevi, itd.– korozija i erozija, umor materijala itd.,– razdvajanje nestabilnih fluida.

Moraju se uzeti u obzir razna opterećenja koja se javljaju istovremeno, uzimajući u obzirmogućnost njihovog istovremenog nastupanja. Konstrukcija na odgovarajuću čvrstoću se moratemeljiti na metodi proračuna opisanoj u točki 1.

1. Metoda proračuna

a) Tlačna i druga opterećenjaDopuštena naprezanja tlačne opreme moraju biti ograničena obzirom na očekivane razumne načineotkazivanja u uvjetima rada. Zato se moraju primijeniti odgovarajući faktori sigurnosti kako bi se upotpunosti odstranila svaka nesigurnost koja proizlazi iz proizvodnje, stvarnih uvjeta rada,naprezanja, metode proračuna te svojstava i ponašanja materijala.Gore navedenim zahtjevima se može udovoljiti na način da se, prema potrebi, primijeni jedna odsljedećih metoda ili, ako je neophodno, koristi kao dodatak jednoj ili u kombinaciji s drugommetodom:

– konstrukcija putem formula,– konstrukcija putem analize,– konstrukcija putem mehanike loma.

b) IzdržljivostPrilikom konstruiranja moraju se koristiti odgovarajući proračuni kako bi se utvrdila izdržljivostodređene tlačne opreme.Posebice:

– proračunski tlakovi ne smiju biti manji od najvećih dopuštenih tlakova uzevši u obzirstatički i dinamički tlak fluida te razdvajanje nestabilnih fluida. Kada je posuda podijeljenana zasebne komore koje su pod tlakom, pregradna stijenka mora biti konstruirana na temeljunajvećeg mogućeg tlaka komore u odnosu na najmanji mogući tlak u susjednoj komori,

– proračunske temperature moraju uzeti u obzir odgovarajuće sigurnosne granice,– konstrukcija mora voditi računa o svim mogućim kombinacijama temperature i tlaka do

kojih može doći u realno očekivanim uvjetima rada tlačne opreme,– najveća naprezanja i koncentracije naprezanja moraju biti u dopuštenim granicama,– pri proračunu na tlak moraju se koristiti vrijednosti koje odgovaraju svojstvima materijala,

temeljenih na dokumentiranim podacima zajedno s odgovarajućim faktorima sigurnosti.c) StabilnostKada izračunata debljina stijenke ne uključuje odgovarajuću stabilnost strukture, moraju se poduzetinužne mjere kako bi se to ispravilo uzimajući u obzir rizike pri prijevozu i rukovanju.

Materijali koji se koriste za proizvodnju tlačne opreme moraju odgovarati toj primjeni upredviđenom vijeku trajanja ukoliko nisu predviđene zamjene.



2. Materijali za tlačnu opremu

Materijali za dijelove pod tlakom moraju imati odgovarajuća svojstva za sve radne uvjete koji semogu predvidjeti i za sve uvjete ispitivanja, a posebno moraju biti dovoljno plastični i žilavi.Potrebna je izuzetna pažnja pri odabiru materijala kako bi se spriječio krhki lom. Kada je izodređenih razloga nužno koristiti krhki materijal moraju se poduzeti odgovarajuće mjere.Materijali moraju biti dovoljno kemijski otporni na fluide koje se nalaze u tlačnoj opremi. Kemijskai fizikalna svojstva nužna za siguran rad ne smiju biti značajno umanjena u predviđenom vijekutrajanja opreme.Osim toga materijali ne smiju biti značajno podložni dozrijevanju i moraju odgovarati zapredviđene postupke obrade.Moraju se odabrati na način da se izbjegnu međusobni nepoželjni učinci kada se spajaju različitimaterijali.Proizvođač tlačne opreme mora na odgovarajući način odrediti vrijednosti potrebne za proračune ibitne karakteristike materijala s obzirom na područje uporabe.U tehničkoj dokumentaciji proizvođač mora pružiti dokaze o sukladnosti upotrijebljenih materijalasa specifikacijama za materijale prema Pravilniku o tlačnoj opremi u jednom od sljedećih oblika:

– korištenjem materijala koji su u skladu s usklađenim normama,– korištenjem materijala koji su obuhvaćeni europskim odobrenjem za materijale za tlačnu

opremu,– korištenjem posebno odobrenih materijala.

Proizvođač opreme mora poduzeti odgovarajuće mjere kako bi osigurao da upotrijebljeni materijalibudu u skladu sa specifikacijama. Posebno, dokumentacija koju priprema proizvođač materijala, akoja potvrđuje sukladnost sa specifikacijom mora postojati za sve materijale. Kada proizvođačmaterijala ima odgovarajući sustav osiguranja kvalitete koji je potvrđen od strane mjerodavnogtijela, te koji je udovoljio posebnom ocjenjivanju za materijale, pretpostavlja se da certifikat kojiizdaje proizvođač potvrđuje sukladnost s odgovarajućim zahtjevima Pravilnika o tlačnoj opremi.



3. Zahtjevi na materijale za dijelove pod tlakom

Osnovni zahtjevi na materijale za tlačnu opremu su:– nosivost radnih opterećenja,– sigurnost: plastična deformabilnost i otpornost krhkom lomu,– kemijska otpornost,– kompatibilnost materijala u spoju,– otpornost dozrijevanju,– tehnologičnost.

3.1. Zahtjevi na opterećenje i na pojavu krhkog loma

U pogledu odabira materijala vrlo je bitno odrediti zahtjeve na sam materijal od kojih jekonstrukcija izrađena, kao i određivanje bitnih svojstava materijala i minimalnih granica kojeodređuju da li je pojedini materijal prikladan za traženu namjenu.Tlačni spremnik se jednostavno može opisati kao posuda unutar koje je tlak najčešće mnogo viši odtlaka izvan spremnika, što onda stvara pritisak na stjenke. Kod materijala od kojeg je izrađenastjenka javljaju se vlačna naprezanja, odnosno unutrašnji tlak stvara pritisak na posudu da se onaproširi i poveća volumen. Iz toga je jednostavno za zaključiti da su vlačna svojstva materijala punobitnija od tlačnih. Bitan faktor je također vrijeme uporabe jer konstrukcija nije vlačno opterećenapovremeno i na kratko, već je opterećenje konstantno kroz duži vremenski period.Na osnovu zahtjeva na materijale za tlačnu opremu potrebno je odrediti i definirati traženamehanička svojstva.To su:

– granica razvlačenja, Re,– konvencionalna granica razvlačenja na proračunskoj temperaturi za 0,2 ili 1% trajne

deformacije, Rp0,2 i Rp1,– vlačna čvrstoća, Rm,– modul elastičnosti (Youngov modul), E,– odgovarajuća plastična deformacija,– otpornost puzanju – statička izdržljivost i granica puzanja,– dinamička izdržljivost, Rd,– udarni rad loma (udarna žilavost), KV,– lomna žilavost, KIC.

Dopuštena naprezanja po pravilniku o tlačnoj opremi:

– za feritne čelike uključujući normalizirane (normalizirane valjane) čelike, a isključujućisitnozrnate čelike, a posebno toplinski obrađene čelike: 0,67∙Re/T i 0,42∙Rm/20,

– za austenitne čelike,– 0,67∙Re/T : za A ≥ 30%– 0,83∙Re/T i 0,33∙Rm/T : za A ≥ 35%

– za nelegirane i niskolegirane čelične lijevove: 0,53∙Re/T i 0,33∙Rm/20,– za aluminij: 0,67∙Re/T,– za precipitacijski neočvrstive Al-legure: 0,67∙Re/T i 0,42∙Rm/20.



Ponašanje materijala pod djelovanjem opterećenja prikazuje dijagram naprezanje (σ) – istezanje (ε)na slici 3.

Slika 3 – Dijagram naprezanje-istezanje za normalizirani konstrukcijski čelik

Naprezanje je omjer sile - F i ploštine – S0 poprečnog presjeka epruvete. Kod materijalaopterećenog nekom silom, dolazi do naprezanja zbog kojih se taj materijal rasteže i time dolazi doproduljenja epruvete sa početne duljine L0 na duljinu L. Relativno produljenje predstavlja omjerproduljenja (razlika između L i L0) i početne duljine L0.

=FS0

; = LL0

=L−L0

L0

Karakteristične točke koje se mogu očitati iz dijagrama naprezanja su vlačna čvrstoća Rm, granicarazvlačenja Re i lomna čvrstoća Rk. U prvom dijelu dijagrama do točke Re postoji linearna ovisnostizmeđu opterećenja i produljenja, odnosno ispitni uzorak se rasteže po Hookeovom zakonu.Deformacija materijala je elastična u ovom području i u slučaju prestanka opterećenja ispitni uzorakse vraća na početnu duljinu. Nakon te točke slijedi jedno malo područje koje se naziva zona tečenjai u kojem se ispitni uzorak produljuje čak i uz pad opterećenja. Nakon te zone, za daljnji porastproduljenja opet je potrebno povećavati opterećenje, ali produljenje sa porastom opterećenja više neraste linearno. Ovo je već područje plastične deformacije koja rasterećenjem ispitnog uzorka neisčezava. Točka maksimalnog opterećenja na dijagramu predstavlja vlačnu čvrstoću Rm. I nakon tetočke realno naprezanje ustvari raste jer se ispitni uzorak u zoni gdje će nastati lom naglo stanjuje,no kako se kod izrade dijagrama u obzir uzima samo početna ploština poprečnog presjeka ispitnoguzorka, ispada da nakon te točke naprezanje pada.Tijek rastezanja različitih materijala se za svaki materijal odvija na njemu svojstven način (slika 4).Po obliku dijagrama materijali se mogu podijeliti na:

– materijale s izraženom granicom razvlačenja (meki i srednje tvrdi čelici),– materijale s kontinuiranim prijelazom iz elastičnog u područje elastično-plastičnih

deformacija (Cu i Al),– materijale bez područja plastičnih deformacija (krhki materijali poput sivog lijeva ili

zakaljenog čelika),– materijale s entropijskom elastičnom deformacijom (neki organski materijali i polimeri



tipa plastomera).

Slika 4 – Dijagram naprezanje-istezanje za različite skupine materijala

Granica razvlačenja, Re (N/mm2)

Granica razvlačenja je ono naprezanje pri vlačnom opterećenju koje izaziva znatno istezanjeispitnog uzorka ili epruvete, bez povećanja sile. Granica razvlačenja je uz vlačnu čvrstoću osnovnomehaničko svojstvo na osnovu kojeg se materijali vrednuju prema njihovoj mehaničkoj otpornosti.Granica razvlačenja za pojedine materijale dobiva se statičkim vlačnim ispitivanjem na kidalici.

Konvencionalna granica razvlačenja, Rp (N/mm2)

Konvencionalna granica razvlačenja je ono naprezanje u materijalu koje stvara dogovorenoproduljenje ispitnog uzorka. Uobičajena vrijednost trajnog produljenja je 0,2%, ali koriste se ivrijednosti od 1%, 0,1% i druge. Konvencionalna granica razvlačenja se također određuje zarazličite temperature.

Vlačna čvrstoća, Rm (N/mm2)Vlačna čvrstoća predstavlja omjer maksimalne postignute sile pri vlačnom ispitivanju i ploštinepočetnog presjeka ispitnog uzorka ili epruvete.

Istezljivost, A (%)

Istezljivost A označava relativno produljenje materijala u aksijalnom smjeru u odnosu na početnumjernu duljinu L0. Na osnovu istezljivosti materijali se međusobno uspoređuju u pogleduduktilnosti. Općenito se materijali sa istezljivošću manjom od 5% smatraju krhkima, a oni saistezljivošću većom od 5% duktilnima.Po normi EN 13445-2 čelici od kojih se izrađuju tlačni spremnici moraju imati određenu minimalnuistezljivost A kako slijedi:

– A ≥14% za poprečni smjer– A ≥16% za uzdužni smjer

Materijali sa nižim vrijednostima istezljivosti mogu se primjeniti kod spojnih elemenata i odljevakasamo u slučaju poduzimanja odgovarajućih mjera (primjena viših faktora sigurnosti kodkonstruiranja i provođenje dodatnih testova kako bi se ispitala lomna svojstva materijala).



Modul elastičnosti (Youngov modul), E (N/mm2)

Modul elastičnosti predstavlja mjeru krutosti materijala i jednak je omjeru vlačnog naprezanja ivlačne deformacije u linearnom odnosno elastičnom području dijagrama naprezanje-istezanje.Youngov modul elastičnosti vrijedi i za tlačna naprezanja kod većine materijala.

Otpornost puzanju, Rp1/t/ϑ (N/mm2)

Puzanje je pojava koja se javlja kod dugotrajno statički opterećenih materijala, kod kojih podutjecajem neke konstantne sile pri povišenoj temperaturi dolazi do postupnog povećanjadeformacije. Puzanje se zaustavlja ukoliko kod materijala tokom procesa rastezanja dođe doočvrsnuća ili ako ne, puzanje se nastavlja do loma materijala. Temperatura na kojoj će doći dopojave puzanja ovisi o materijalu (kod čelika iznad 400°C, a kod olova i nekih polimera već nasobnoj temperaturi). Ispitivanje otpornosti materijala puzanju provodi se na puzalicama, a kaoispitni uzorci koriste se epruvete s navojnim glavama.

Dinamička izdržljivost, Rd (N/mm2)

Dinamička izdržljivost se uobičajeno prikazuje preko Wöhlerovih (σ-N) krivulja koje daju odnosizmeđu broja ciklusa naprezanja do loma N i raspona nazivnog naprezanja Δσ. Raspon naprezanjaΔσ određuje se kao razlika najvećeg gornjeg naprezanja σmax i najvećeg donjeg naprezanja σmin.

Najveće promjenjivo naprezanje koje uzorci izdrže bez pojave loma nakon praktički beskonačnogbroja ciklusa, predočeno graničnim brojem ciklusa Ng, naziva se dinamička izdržljivost Rd.

Udarni rad loma, KV(KU) (J)

Udarni rad loma određuje otpornost materijala krhkom lomu u uvjetima djelovanja udarnogopterećenja i to je mjera za žilavost materijala. Predstavljen je energijom utrošenom za lom ispitnoguzorka (Slika 5), a označava se sa KU ili KV ovisno o tome da li se kod ispitivanja koristi epruvetasa U ili V zarezom. Najčešća metoda ispitivanja udarnog rada loma je pomoću Charpyjevog bata.Ispitivanje udarnog rada loma prema Charpyju mora se vršiti i pri niskim temperaturama. Propisanevrijednosti udarnog rada loma za čelike jesu sljedeće:

– 27 J pri temperaturi ispitivanja jednakoj ϑR za feritne čelike sa 1,5-5% Ni – 40 J pri temperaturi ispitivanja od -196 °C za čelike sa 9% Ni i zavarene materijale i

odljevke od austenitnog čelika– 40 J pri temperaturi ispitivanja jednakoj radnoj temperaturi ϑR za dupleks čelike

Slika 5 – Ispitivanje udarnog rada loma prema Charpyju



Lomna žilavost, KIC (N/m-3/2)

Mjera za lomnu žilavost je kritični intenzitet naprezanja na vrhu pukotine koji dovodi do njenognestabilnog širenja. Od svih svojstava koji određuju žilavost, jedino lomna žilavost može poslužitikao veličina za proračune. Ispituje se na ispitnom uzorku koji uz utor ima i umjetno izazvanupukotinu, umaranjem dubine veće od 1,3 mm.

3.2. Zahtjevi na zavarljivost

Zavarljivost je sposobnost materijala da se pri određenim povoljnim uvjetima zavarivanja ostvarikontinuirani zavareni spoj koji će svojstvima udovoljiti predviđenim uvjetima i vijeku primjene.Osnovni parametar kojim se utvrđuje zavarljivost određenog materijala jest vrijednost ugljičnogekvivalenta Ce za kojeg vrijedi formula:

Ce = %Mn/4 + (%Cr+%Mo+%V)/5 + (%Ni + %Cu)/10.

Zavarljivost je tim bolja što je niži udio ugljika i što je manji stupanj legiranosti, jer legiranostpovisuje prokaljivost odnosno opasnost od spontanog zakaljivanja. Prihvatljiva vrijednost ugljičnogekvivalenta je Ce < 0,4. Čelici s većim ugljičnim ekvivalentom zahtijevaju predgrijavanje, čime sepostiže sporije ohlađivanje nakon zavarivanja.Na zavarljivost utječu još i postupak zavarivanja, dimenzije dijelova koji se zavaruju, te ostalekarakteristike materijala.



4. Čelici i čelični lijevovi za tlačnu opremu

Osnovne skupine čelika i čeličnih lijevova za tlačnu opremu su:– opći konstrukcijski čelici i čelični lijevovi,– čelici povišene čvrstoće,– visokočvrsti i ultračvrsti čelici,– korozijski postojani (nehrđajući) čelici,– čelici za povišene i visoke temperature,– čelici za niske i snižene temperature.

4.1. Mikrostruktura čelika i utjecaj legirnih elemenata

Osim kemijskog sastava i mehaničkih svojstava, bitan faktor kojim se karakteriziraju čelici zatlačnu opremu je njihova mikrostruktura. O mikrostrukturi ovise svojstva materijala, a određena jepostupkom dobivanja legure, postupcima oblikovanja i toplinske obrade. Faktori koji određujumikrostrukturu pojedinog materijala su: prisutne faze i konstituenti, veličina i usmjerenostkristalnog zrna, kemijska homogenost, deformacije strukture uslijed plastične deformacijematerijala, raspodjela faza, prisutnost uključina i precipitata.Za prikaz promjena koje se događaju u mikrostrukturi prilikom dobivanja čelika služi fazni Fe-Cdijagram stanja, slika 6.

Slika 6 – Fe-C dijagram stanja za metastabilnu kristalizaciju

Metastabilni Fe-C dijagram prikazuje fazne promjene koje se događaju kod čelika sa određenimudjelom ugljika u ovisnosti o promjeni temperature uz uvjet da se ta određena Fe-C legura ohlađujeumjereno sporo. Osnovni Fe-C dijagram je binarni odnosno ima 2 elementa sustava, željezo i ugljik.U slučaju da u kemijskom sastavu legure postoje i legirni elementi, onda je Fe-C dijagram stanjapseudobinarni. Legirni elementi utječu na pomicanje karakterističnih linija koja odjeljuju pojedinesegmente faznih pretvorbi.



Slika 7 – TTT dijagram za kontinuirano hlađenje (podeutektoidnog čelika s x% ugljika)

(F - ferit, P – perlit, B – bainit, M – martenzit, A – austenit, Ap – zaostali austenit)

Ako se čelik dodatno toplinski obrađuje brzina hlađenja je često veća od one po kojoj se faznepromjene u odvijaju metastabilno, pa se u tom slučaju za prikaz promjena koristi TTT (eng. Time-temperature transformation) dijagram, slika 7. TTT dijagram prikazuje fazne promjene u leguri uovisnosti o brzini hlađenja.Čelici za tlačnu opremu u pravilu imaju nizak postotak ugljika tako da kod njih nisu prisutne svemoguće faze i konstituenti koji se nalaze u Fe-C dijagramu. Stoga će ovdje biti spomenute samofaze koje su karakteristične za tu grupu materijala.

Ferit

Ferit je intersticijska čvrsta otopina ugljika u α-željezu sa prostorno centriranom kubičnomstrukturom (BCC-rešetka).

Slika 8 – Mikrostruktura feritnog nehrđajućeg čelika

Ferit je feromagnetičan i daje čeliku magnetična svojstva. Maksimalna topivost ugljika u α-željezuje 0,025% kod 723°C i samo 2∙10-7% na sobnoj temperaturi stoga se postizanje feritne strukture kodčelika sa većim postotkom ugljika postiže dodavanjem alfagenih legirnih elemenata, odnosnoelemenata koji stabiliziraju i promiču feritnu fazu. Od svih faza ferit je ujedno i najmekši savlačnom čvrstoćom od 280 Mpa i tvrdoćom od 80 HB. Zahvaljujući legirnim elementima ipostupcima kojima se povećava čvrstoća (toplinska i deformacijska obrada) feritni čelici za tlačnuopremu mogu imati znatno višu vlačnu čvrstoću i bolja mehanička svojstva općenito. Na slici 8prikazana je feritna mikrostruktura na primjeru jednog korozijski postojanog čelika.



Austenit

Austenit je intersticijska čvrsta otopina ugljika u γ-željezu sa plošno centriranom kubičnomstrukturom (FCC-rešetka). Maksimalna topivost ugljika u austenitu je 2,06% kod 1147 °C. Kodnelegiranih čelika austenit nije stabilan na sobnoj temperaturi, no dodavanjem gamagenih legirnihelemenata stabilnost austenita se može postići i na niskim temperaturama. Slika 9 prikazujeaustenitnu mikrostrukturu za neki čelik.

Slika 9 – Austenitna mikrostruktura kod čelika

Perlit

Perlit je dvofazna mješavina koja se sastoji od 88% ferita i 12% cementita. Lamelarna strukturaperlita sastoji se od bijele feritne osnove ili matrice (koja čini većinu eutektoidne mješavine) itankih pločica cementita. Vlačna čvrstoća perlita se kreće u rasponu od 700 do 900 N/mm2, tvrdoćaje oko 220 HV, a istezljivost oko 10%. Primjer feritno perlitne mikrostrukture dan je na slici 10.

Slika 10 – Feritno-perlitna mikrostruktura (ferit-bijelo, perlit-crno)

Martenzit

Martenzit nastaje iz austenita ukoliko se čelik sa temperature austenitizacije hladi gornjomkritičnom brzinom ili brže na dovoljno nisku temperaturu. Pretvorba se odvija bez prisutnostidifuzijskih procesa i time atomi ugljika ostaju zarobljeni u prostorno centriranoj tetragonalnojkristalnoj rešetci željeza. Martenzit se javlja kod kaljenog čelika u obliku nakupina igličastihkristala koje se sijeku pod određenim kutovima (Slika 11). Martenzitni čelici nakon kaljenja imajuvisoku čvrstoću i tvrdoću, ali su i vrlo krhki tako da se nakon kaljenja uvijek obavlja i toplinskaobrada popuštanja čelika. Čelici za tlačnu opremu imaju nizak postotak ugljika tako da nakonprocesa kaljenja često imaju dosta velike udjele zaostalog austenita. Zaostali austenit se moženaknadno ukloniti dubokim hlađenjem.



Slika 11 – Čelik martenzitne mikrostrukture

Bainit

Bainit nastaje kada se čelik hladi brzinom između gornje i donje kritične brzine hlađenja na nižimtemperaturama (između temperature stvaranja perlita i martenzita) čime se dobiva strukturasastavljena od ferita i cementita, ali različita od perlita. Zbog male brzine difuzije na ovojtemperaturi atomi ugljika se ne mogu pomicati na veće udaljenosti i stvoriti lamele cementita.Umjesto lamela ferita i cementita stvaraju se samo lamele ferita na čijim granicama se izdvajacementit u obliku sitnih, kuglastih čestica. Raspon temperatura kod kojih nastaje bainit nalazi seizmeđu područja temperatura nastajanja perlita i martenzita, a izgled mikrostrukture bainita (slika12) je sličan martenzitu. Bainitni čelici se rjeđe koriste kao materijal za tlačne spremnike.

Slika 12 – Čelik bainitne mikrostrukture

Utjecaj najbitnijih legirnih elemenata na svojstva čelika:

Krom (Cr)Krom je jak karbidotvorac i tvori karbide tvrđe od cementita, najčešće tipa M23C6 (M - Cr iliCr+Fe+Mo) i puno rjeđe karbide tipa Cr7C3, a sa dušikom može tvoriti nitride Cr2N. Karbidi Cr23C6

se pri povišenim temperaturama (425 do 870°C) stvaraju i izlučuju po granicama zrna što možedovesti do pojave interkristalne korozije. Krom je alfageni element, odnosno legirni element kojipromiče i stabilizira ferit. Ima veći afinitet prema kisiku od željeza i na površini čelika stvarazaštitni oksidni sloj, (Fe,Cr)2O3, koji štiti čelik od korozije. Okvirno, više od 12% Cr u čvrstojotopini čelika uz monofaznu strukturu, daje čeliku potpunu korozijsku postojanost. Legiranjekromom utječe na sklonost krhkosti nakon popuštanja, što se izbjegava legiranjem s molibdenom.Kao supstitucijski atom ulazi u BCC ili FCC kristalnu rešetku željeza izazivajući očvrsnućematerijala. U čeliku djeluje na smanjenje toplinske vodljivosti i toplinske rastezljivosti.



Nikal (Ni)Nikal je jak gamageni element, odnosno promiče i stabilizira austenitnu fazu. Nije karbidotvorac,već se otapa u rešetki željeza. Ne promiče formiranje intermetalnih faza, ali utječe na kinetikunjihovog nastanka. Povisuje čvrstoću nehrđajućih čelika i povisuje žilavost i pri niskimtemperaturama. Povisuje otpornost na opću koroziju feritnih čelika u medijima koji sadržesumpornu kiselinu, ali kod čelika općenito smanjuje otpornost na napetosnu koroziju. Nikal senajviše koristi kao legirni element kod čelika posebnih svojstava: nehrđajućih i kemijski postojanih,čelika za povišene i niske temperature, vatrootpornih i nemagnetičnih čelika. Zbog visoke cijenelegira se gotovo uvijek u kombinaciji s nekim drugim elementom.

Molibden (Mo)Molibden je alfageni element, odnosno jak feritotovrac. Također je jak karbidotvorac koji tvorirazličite i kompleksne karbide tipa M23C6 koji precipitiraju sporim hlađenjem kroz austenitnopodručje. Utječe na povišenje granice razvlačenja i vlačne čvrstoće, kao i granice puzanja. Kod Cr-Ni i Mn-čelika dodaje se kako bi smanjio opasnost od pojave krhkosti nakon popuštanja i dodatnopovisuje sekundarno otvrdnuće nakon popuštanja. Molibden odgađa okrupnjavanje karbidnihčestica pri zagrijavanju i povoljno djeluje na formiranje sitnozrnate mikrostrukture i na povećanjeprokaljivosti. Poboljšava korozijsku postojanost i obradivost odvajanjem čestica. U pravilu sekombinira sa drugim legirnim elementima.

Vanadij (V)Vanadij je alfageni element koji otopljen u metalnoj osnovi promiče i stabilizita feritnu strukturu.Također je jak karbidotvorac koji tvori fino dipergirane karbide i karbonitride i na taj način povisujetvrdoću i otpornost na trošenje pri normalnim i povišenim temperaturama. Ima važnu ulogu usprečavanju rasta zrna tijekom toplinske obrade (efikasno djeluje već 0,1% V). Povisuje granicurazvlačenja, pa se stoga koristi kao legirni element kod čelika za opruge. Zbog skupoće u pravilu sekoristi u kombinaciji sa drugim legirnim elementima.

Mangan (Mn)Gotovo svi čelici sadrže mangan. Mangan je gamageni legirni element i stabilizira austenitnu fazuosobito na nižoj temperaturi, sprečavajući transformaciju austenita u martenzit. Djelujedezoksidirajuće, a na sebe veže i sumpor čime sprečava stvaranje željeznog sulfida koji loše utječena svojstva čelika. Povisuje granicu razvlačenja kod konstrukcijskih čelika, povoljno djeluje nažilavost i znatno poboljšava prokaljivost čelika. Na višim temperaturama njegovo djelovanje ovisi oudjelu drugih legirnih elemenata. Čelici legirani s manganom skloni su pregrijavanju (brzomporastu zrna pri visokim temperaturama) i krhkosti nakon popuštanja. Mangan se ponekad dodajespecijalnim legurama da poboljša topivost dušika u austenitnoj fazi.



4.2. Klasifikacija čelika za tlačnu opremu prema normi EN 13445-2

Čelici su po normi klasificirani na osnovu vrijednosti granice razvlačenja, mikrostrukture i udjelalegirnih elemenata. Radi se o sljedećim grupama čelika:

Grupa 1

Čelici sa minimalnom granicom razvlačenja ReH ≤ 460 N/mm2 i propisanim kemijskim sastavom saudjelima pojedinih elemenata u %: C ≤ 0,25, Si ≤ 0,6, Mn ≤ 1,7, Mo ≤ 0,7, S ≤ 0,045, P ≤ 0,045, Cu ≤ 0,4, Ni ≤ 0,5, Cr ≤ 0,3, Nb ≤ 0,05, V ≤ 0,12, Ti ≤ 0,05.Podgrupe1.1 Čelici sa minimalnom granicom razvlačenja ReH ≤ 275 N/mm2

1.2 Čelici sa granicom razvlačenja 275 < ReH < 360 N/mm2

1.3 Normalizirani sitnozrnati čelici sa granicom razvlačenja ReH > 360 N/mm2

1.4 Čelici sa poboljšanom otpornošću na atmosfersku koroziju (mogu imati više udjele pojedinihlegirnih elemenata od onih specificiranih za grupu općenito)

Grupa 2

Termomehanički obrađeni sitnozrnati čelici i čelični lijevovi sa granicom razvlačenja ReH > 360N/mm2

Podgrupe2.1 Čelici i čelični lijevovi sa granicom razvlačenja 360 < ReH < 460 N/mm2

2.2 Čelici i čelični lijevovi sa granicom razvlačenja ReH > 460 N/mm2

Grupa 3

Čelici za poboljšavanje i precipitacijski očvrsnuti čelici osim nehrđajućih sa granicom razvlačenjaReH > 360 N/mm2.Podgrupe3.1 Čelici za poboljšavanje sa granicom razvlačenja 360 < ReH < 690 N/mm2

3.2 Čelici za poboljšavanje sa granicom razvlačenja ReH > 690 N/mm2

3.3 Precipitacijski očvrsnuti čelici (osim nehrđajućih)

Grupa 4

Cr – Mo – (Ni) čelici niskolegirani vanadijem s masenim udjelom Mo ≤ 0,7% i V ≤ 0,1%.Podgrupe4.1 Čelici s udjelom Cr ≤ 0,3% i Ni ≤ 0,7%4.2 Čelici s udjelom Cr ≤ 0,7% i Ni ≤ 1,5%

Grupa 5

Cr – Mo čelici bez vanadija s masenim udjelom C ≤ 0,35%.Podgrupe5.1 Čelici s udjelom 0,75 ≤ Cr ≤ 1,5% i Mo ≤ 0,7%5.2 Čelici s udjelom 1,5 ≤ Cr ≤ 3,5% i 0,7 ≤ Mo ≤ 1,2% 5.3 Čelici s udjelom 3,5 ≤ Cr ≤ 7% i 0,4 ≤ Mo ≤ 0,7% 5.4 Čelici s udjelom 7 ≤ Cr ≤ 10% i 0,7 ≤ Mo ≤ 1,2%

Grupa 6

Cr – Mo – (Ni) čelici visokolegirani vanadijem.Podgrupe6.1 Čelici s udjelom 0,3 ≤ Cr ≤ 0,75%, Mo ≤ 0,7 i V ≤ 0,35%



6.2 Čelici s udjelom 0,75 ≤ Cr ≤ 3,5%, 0,7 ≤ Mo ≤ 1,2% i V ≤ 0,35%6.3 Čelici s udjelom 3,5 ≤ Cr ≤ 7%, Mo ≤ 0,7% i 0,45 ≤ V ≤ 0,55%6.4 Čelici s udjelom 7 ≤ Cr ≤ 12,5%, 0,7 ≤ Mo ≤ 1,2% i V ≤ 0,35%

Grupa 7

Feritni, martenzitni ili precipitacijski očvrsnuti čelici sastava C ≤ 0,35% i 10,5 ≤ Cr ≤ 30%Podgrupe7.1 Feritni nehrđajući čelici7.2 Martenzitni nehrđajući čelici7.3 Precipitacijski očvrsnuti nehrđajući čelici

Grupa 8

Austenitni nehrđajući čelici.Podgrupe8.1 Austenitni nehrđajući čelici s udjelom Cr ≤ 19%8.2 Austenitni nehrđajući čelici s udjelom Cr >19%8.3 Austenitni nehrđajući čelici s udjelom 4 ≤ Mn ≤ 12%

Grupa 9

Niklom legirani čelici s masenim udjelom Ni ≤ 10%.Podgrupe9.1 Niklom legirani čelici s udjelom Ni ≤ 3%9.2 Niklom legirani čelici s udjelom 3 ≤ Ni ≤ 8%9.3 Niklom legirani čelici s udjelom 8 ≤ Ni ≤ 10%

Grupa 10

Dupleks nehrđajući čelici.Podgrupe10.1 Dupleks nehrđajući čelici sa udjelom Cr ≤ 24%10.2 Dupleks nehrđajući čelici sa udjelom Cr > 24%

4.3. Opći konstrukcijski čelici i čelični lijevovi

Ova skupina čelika ima zajamčena mehanička svojstva, ali ne i kemijski sastav. To su nelegiraničelici sa niskim udjelom ugljika, a neki od njih imaju i propisani sastav nečistoća (udio P i S morabiti niži od 0,045%). Zbog niskog udjela ugljika i legirnih elemenata niska je i vrijednost ugljičnogekvivalenta Ce što znači da je ova skupina čelika dobro zavarljiva. Mikrostruktura ovih čelika jeferitno-perlitna, a sitnozrnatost se postiže normalizacijom nakon toplog oblikovanja. Svojstva ovihčelika su: dobra nosivost i sigurnost (Re, Rm, KU/KV), povoljan omjer granice razvlačenja i vlačnečvrstoće (Re/Rm), relativno velika istezljivost (A) i velika površina ispod krivulje u F-ΔL dijagramu(sigurnost od krhkog loma).Vrijednosti mehaničkih svojstava za cijelu skupinu čelika kreću se u rasponima:

Re = 190 – 370 N/mm2,Rm = 330 – 700 N/mm2,A = 10 – 28 %.

Vrijednosti Re ovise o dimenzijama (debljina), a tim su više što je viši udio ugljika i viši udio perlitau mikrostrukturi. Viša se čvrstoća postiže dodatkom Mn i Si te ostalih elemenata (Mn ne smije



prijeći 1,65% jer povisuje prokaljivost). Što je viši omjer Mn/C, to je veća žilavost i to posebno prinižim temperaturama (manja sklonost krhkom lomu). Viši maseni udio Mn povisuje prokaljivost iopasnost od spontanog zakaljivanja pri zavarivanju. Temperature uporabe su od -40 do +50°C(normalne i nešto snižene). Pri sniženim temperaturama povećana je opasnost od pojave krhkogloma. Podskupine zavarljivih čelika za nosive konstrukcije imaju oznake (0, A, B, C i D). Za izradutlačnih spremnika koriste se skupine A, B, C i D. U skupinu A spadaju čelici: S235JRG1 i S275JRG2, a u skupinu B (zajamčen udarni rad loma pri20 °C): S235JRG2, S275JRG2 i S355JRG2. Primjenjuju se za tlačno i savojno opterećenekonstrukcije gdje nema opasnosti od pojave krhkog loma. Od ovih materijala se izrađujuekspanzijske posude. U skupinu C spadaju posebno smireni čelici sa zajamčenim udarnim radom loma pri 0 °C (čeliciS235J0G3, S275J0G3, S355J0G3), a skupina D sadrži posebno smirene i normalizirane čelike sazajamčenom vrijednosti udarnog rada loma od 27 J pri -20 °C, pa su čelici otporni na krhki lom(čelici S235J2G3, S275J2G3, S355J2G3). Obje skupine se koriste općenito za izradu statički idinamički opterećenih zavarenih konstrukcija, a skupina D i pri nižim temperaturama.

4.4. Čelici povišene čvrstoće

Čelici iz ove skupine nemaju zajamčen kemijski sastav već samo mehanička svojstva. Podaci okemijskom sastavu daju samo maksimalne vrijednosti pojedinih elemenata, među kojima jenajvažniji udio nečistoća (P i S). Cilj razvoja ovih čelika je postignuće više granice razvlačenja i više vlačne čvrstoće, a time i višegdopuštenog naprezanja u radu. Primjenom ovih čelika smanjuju se nosivi presjeci kod jednakihopterećenja, odnosno smanjuje se masa i volumen konstrukcije, što dovodi do sniženja ukupnihtroškova materijala. Nadalje u razvoju čelika povišene čvrstoće nastojao se zadržati povoljan omjerRe/Rm (plastična rezerva), tako da u slučaju preopterećenja prije dolazi do plastične deformacije, ane do iznenadnog loma. Dobra zavarljivost ovih čelika postignuta je zadržavanjem što nižeg udjelaugljika.Povišenje čvrstoće čelika ponajprije ovisi o mogućnostima modificiranja njegove mikrostrukture.Tako se čelici s jednofaznom mikrostrukturom ferita ili austenita ne mogu očvrsnuti kaljenjem, alisu zato očvrstljivi precipitacijom (uz dodatak odgovarajućih legirnih elemenata). Svi načinipovišenja čvrstoće temelje se na otežanom kretanju dislokacija nastajanjem prepreka što kaoposljedicu obično ima povišenje granice razvlačenja dok vlačna čvrstoća ne mora nužno rasti.

Osnovni mehanizmi očvrsnuća kod ovih čelika su:Očvrsnuće kristalima mješancima

Zapreke gibanju dislokacija su otopljeni strani atomi u rešetki željeza koji čine intersticijske ilisupstitucijske kristale mješance. Na porast čvrstoće najjače djeluje povišenje masenog udjelaugljika u čeliku, a povoljno djeluje i dušik. Ovaj način očvrsnuća od svih daje najmanje efekte.

Očvrsnuće matenzitnom transformacijom

Kod postupka kaljenja dolazi do transformacije austenita u martenzit, čime se povisuje tvrdoća ičvrstoća, ali pada istezljivost i žilavost. Zbog toga se nakon kaljenja obavezno provodi popuštanje.

Očvrsnuće hladnom deformacijom

Uslijed postupaka hladnog deformiranja dolazi do umnažanja dislokacija čime raste njihovagustoća. Posljedica je porast granice razvlačenja i znatno smanjenje žilavosti.



Očvrsnuće usitnjenjem zrna

Zapreke gibanju dislokacija čine čine velikokutne granice zrna, a povoljnije je da zrna budu štositnija. Usitnjenjem zrna dolazi i do povećanja žilavosti.

Očvrsnuće precipitacijom i disperzijom faza

Radi se o izdvojenim fazama nelegiranih ili legiranih karbida ili ostalih intermetalnih spojeva iprijelaznih faza koje se izlučuju iz homogene mikrostrukture ferita, austenita ili martenzita. Ovefaze nastaju kada se prekorači granica topivosti stranih atoma u rešetki željeza. Djelovanje tih fazaogleda se kroz njihovu raspodjelu i vrstu – koherentne ili nekoherentne, srednji promjer i njihovmeđusobni razmak. Koherentne faze mogu presjecati klizne ravnine za što se troši energija pridjelovanju vanjskog opterećenja. Druga je mogućnost da dislokacije zaobilaze faze za što opet trebaenergija koja bi se inače utrošila u deformaciju.

Osnove podskupine čelika povišene čvrstoće su:– Sitnozrnati normalizirani mikrolegirani čelici (HSLA): 360 < Rp0,2 < 500 N/mm2,– Sitnozrnati poboljšani čelici: Rp0,2 ≥ 500 N/mm2.

Koriste se kod normalnih, povišenih i sniženih temperatura.

4.4.1. Sitnozrnati normalizirani mikrolegirani čelici (HSLA)

Ova skupina čelika nastala je razvojem čelika S355J0G3 i S355J2G3 koji su posebno smirenialuminijem i silicijem i imaju sitniju feritno-perlitnu mikrostrukturu i dovoljnu zavarljivost. Udio ugljika kod ovih čelika je maksimalno do 0,2% radi zavarljivosti. Svi ovi čelici imaju do 1,7%mangana, ali ne iznad te granice jer to bitno utječe na pogoršavanje zavarljivosti. Mangan, nikal ikrom povisuju čvrstoću preko očvrsnuća kristalima mješancima. Time se formiraju tvrđemikrostrukturne faze, pomiče temperatura pretvorbe austenita ka nižim temperaturama i smanjujegornja kritična brzina hlađenja. Negativna posljedica navedenog načina povišenja čvrstoće je rastsklonosti zakaljivanju pri zavarivanju.Svi ovi čelici sadrže oko 0,025% aluminija koji utječe na sitnozrnatost. Uz aluminij, dodavanjemmalih količina pojedinih disperzoidnih elemenata u udjelu manjem od 0,1% (Nb, V, Ti) stvaraju sefino raspoređeni nitridi (AlN, VN, TiN), karbidi (VC, NbC) i karbonitridi (VCN) koji koče porastaustenitnog zrna. Dodaci navedenih elemenata snizuju završnu temperaturu valjanja čime seotežava rekristalizacija austenita te se takav sitnozrnat pretvara u sitnu feritno-perlitnu strukturu.Povišenje vrijednosti granice razvlačenja ostvareno je otežavanjem gibanja dislokacija stvaranjemprepreka u mikrostrukturi materijala (granice zrna i fino raspršene sitne čestice). Posljedica sitnogaustenitnog zrna je, između ostalog, povećana sklonost pretvorbi u perlitnom stupnju, pa je otežanostvaranje martenzita i poboljšana zavarljivost.Sitnozrnati mikrolegirani čelici nisu osjetljivi na krhki lom i imaju nisku prijelaznu temperaturu.Tablice 1 i 2 sadrže kemijski sastav i mehanička svojstva za odabrane čelike ove skupine.



Tablica 1 – Sitnozrnati normalizirani mikrolegirani čelici (HSLA) – kemijski sastav

Oznaka čelikaMaseni maksimalni udio pojedinih elemenata, %

C Si Mn Ni P S Cr Mo V N Nb Ti Al Cu Zr B

P275NL1 0,16 0,4 1,5 0,5 0,025 0,015 0,3 0,08 0,05 0,012 0,05 0,03 0,02 0,3 - -

P285NH 0,18 0,4 1,4 0,3 0,025 0,015 0,3 0,08 0,05 0,02 0,03 - 0,06 0,2 - -

P355NH 0,18 0,5 1,7 0,8 0,025 0,015 0,3 0,08 0,1 0,012 0,05 0,03 0,02 0,3 - -

P355NL1 0,18 0,5 1,7 0,8 0,025 0,015 0,3 0,08 0,1 0,012 0,05 0,03 0,02 0,3 - -

P460NH 0,2 0,6 1,7 0,8 0,025 0,015 0,3 0,1 0,2 0,025 0,05 0,03 0,02 0,7 - -

P460NL1 0,2 0,6 1,7 0,8 0,025 0,015 0,3 0,1 0,2 0,025 0,05 0,03 0,02 0,7 - -

Tablica 2 – Sitnozrnati normalizirani mikrolegirani čelici (HSLA) - mehanička svojstva

Mehanička svojstva nakon normalizacije, debljina stjenke < 60mm

Oznakačelika

Rm, N/mm2 Re, N/mm2 KV pri 0°C, J A (%)Grupa čelika po CR

ISO 15608

P275NL1 390-510 275 43-50 24 1.1

P285NH 370-510 285 34 21-23 1.1

P355NH 490-630 355 35-40 22 1.2

P355NL1 490-630 355 43-50 22 1.2

P460NH 570-720 460 35-40 16-19 1.3

P460NL1 570-720 460 43-50 17-19 1.3

Ovi čelici se primjenjuju za izradu kuglastih i cilindričnih spremnika ukapljenih plinova, te zaizradu cijevi za visokotlačne cjevovode (slika 13).

Slika 13 – Tlačni spremnik za transport tekućih plinova



4.4.2. Sitnozrnati poboljšani čelici

Ova skupina čelika razvijena je u 3-oj etapi razvoja nelegiranih čelika za nosive konstrukcije. Čelicisu kaljeni u vodi s temperature oblikovanja i popušteni u čeličani pri 680-710 °C i u takvom stanjuse isporučuju. Čelici za poboljšavanje imaju u pravilu više od 0,3% ugljika, no u ovoj skupini čelikaudio ugljika ne prelazi 0,2% kako bi se zadržala dobra zavarljivost. Niskougljični martenzit je inačenajpogodnija mikrostruktura za postizanje izvanrednih svojstava čvrstoće i žilavosti. U odnosu naferitno-perlitnu i homogenu bainitnu mikrostrukturu naročito je povećana otpornost na krhki lom.Karakteristika kemijskog sastava ovih čelika je višestruko legiranje jer se sa više legirnih elemenatakoji zbirno imaju manji udio mogu postići bolji efekti na svojstva, nego legiranjem sa samo jednimili dva elementa sa velikim udjelom. Udjeli legirnih dodataka (Cr, Ni, Mo, B) su određeni tako da seomogući zakaljivost hlađenjem na zraku (kod zavarivanja), a da se izbjegne stvaranje ferita. Cilj jepostići mikrostrukturu niskougljičnog martenzita ili donjeg bainita kako bi pri zavarivanju svojstvazavara bila što bliža svojstvima osnovnog materijala. Mikrolegiranjem se povisuje Ms temperatura(oko 400 °C) tako da pri hlađenju dolazi do poboljšavanja samopopuštanjem martenzita upovršinskim slojevima toplinom jezgre, čime je poboljšana žilavost čelika. Sitnozrnatost je kod ovihčelika osigurana i disperzoidnim elementima (V, Zr, Ti, B). Otpornost na popuštanje mora biti štoviša kako bi se izbjegao pad tvrdoće u ZUT-u pri zavarivanju. Isto tako pri zavarivanju trebaizbjegavati stvaranje igličastog martenzita i poligonalnog ferita. U tablicama 3 i 4 navedeni sukemijski sastav i mehanička svojstva za neke sitnozrnate poboljšane čelike.

Tablica 3 – Sitnozrnati poboljšani čelici - kemijski sastav

Oznaka čelikaMaseni maksimalni udio pojedinih elemenata, %

C Si Mn Ni P S Cr Mo V N Nb Ti Al Cu Zr B

P460Q 0,18 0,5 1,7 1 0,025 0,01 0,5 0,5 0,08 0,015 0,05 0,03 0,3 - 0,05 0,005

P460QL1 0,18 0,5 1,7 1 0,02 0,008 0,5 0,5 0,08 0,015 0,05 0,03 - 0,3 0,05 0,005

P500Q 0,18 0,6 1,7 1,5 0,025 0,01 1 0,7 0,08 0,015 0,05 0,05 - 0,3 0,15 0,005

P500QL2 0,18 0,6 1,7 1,5 0,02 0,008 1 0,7 0,08 0,015 0,05 0,05 - 0,3 0,15 0,005

P620Q 0,2 0,6 1,7 0,8 0,025 0,02 0,3 0,1 0,2 0,02 0,05 0,04 0,02 - - -

P690QH 0,2 0,8 1,7 2,5 0,025 0,01 1,5 0,7 0,12 0,015 0,06 0,05 - 0,3 0,15 0,005

P690QL1 0,2 0,8 1,7 2,5 0,02 0,008 1,5 0,7 0,12 0,015 0,06 0,05 - 0,3 0,15 0,005

Tablica 4 – Sitnozrnati poboljšani čelici - mehanička svojstva

Mehanička svojstva nakon kaljenja i popuštanja, debljina stjenke < 100mm

Oznakačelika

Rm, N/mm2 Re, N/mm2 KV pri 0°C, J A (%)Grupa čelika po CR

ISO 15608

P460Q 550-720 460 40 19 3.1

P460QL1 550-720 460 60 19 3.1

P500Q 590-770 500 40 17 3.1

P500QL2 590-770 500 80 17 3.1

P620Q 740-930 620 31 14 3.1

P690QH 770-940 690 31-40 14-16 3.1

P690QL1 770-940 690 39-60 14-16 3.1



Ovi čelici se primjenjuju kod izrade kuglastih tlačnih spremnika za plinove (slika 14).

Slika 14 – Kuglasti tlačni spremnik za plinove

4.5. Visokočvrsti i ultračvrsti čelici

Kombinacijom različitih načina očvrsnuća – usitnjenjem zrna, matenzitnom transformacijom,precipitacijom (dozrijevanjem) povezano s deformacijom austenita, mogu se postići najviševrijednosti granice razvlačenja (Rp0,2 > 1000 N/mm2) i čvrstoće od svih polikristaliničnih materijala.Glavna zadaća razvoja ultračvrstih čelika nije samo postizanje visokih vrijednosti Rm i Rp0,2 nego(ovisno o primjeni) istodobno postizanje i sljedećih svojstava:

– visoke žilavosti i niske prelazne temperature– visoke dinamičke izdržljivosti i niske urezne osjetljivosti– otpornost na koroziju– čvrstoće pri povišenim i visokim radnim temperturama– potpune prokaljivosti (minimalno 95% martenzita u jezgri)– lake obradljivosti odvajanjem čestica– što jednostavnije toplinske obrade– zadovoljavajuće zavarljivosti

Čelici iz ove skupine se na osnovu vrijednosti Rp0,2 mogu podijeliti na:– čelike visoke čvrstoće: Rp0,2 = 750 – 1500 N/mm2

– ultračvrste čelike: Rp0,2 > 1500 N/mm2. Ultračvrsti čelici se dalje mogu svrstati u sljedeće skupine:

– čelici za poboljšavanje: – niskolegirani nisko popušteni– visokolegirani visokopopušteni

– termomehanički obrađeni čelici– korozijski postojani precipitacijski očvrsnuti čelici (martenzitni, poluaustenitni,

austenitni)– maraging čelici

Mehanizmi očvrsnuća kod ultračvrstih čelika su: očvrsnuće kristalima mješancima (Ni i/ili Mo),transformacijsko očvrsnuće (kaljenje), očvrsnuće precipitacijom (u osnovnoj masi austenita ilimartenzita), očvrsnuće usitnjenjem zrna (disperzivnim elementima: V, Ti, Zr, B)



4.5.1. Niskolegirani niskopopušteni čelici

Čelici ove grupe imaju udio ugljika 0,3 – 0,45%, a legiraju se sa Si, Mn, Cr, Ni, Mo, V u raznimkombinacijama udjela pojedinih legirnih elemenata. Silicij pomiče niskotemperaturnu krhkostpopuštanja (krhkost 260 °C) u područje viših temperatura (oko 400 °C), pa tako omogućuje srednjepopuštanje, a uz to djeluje neposredno i na povišenje granice razvlačenja (kao kod opružnih čelika).Ako u čeliku nema silicija zbog žilavosti mora biti nikla uz kombinaciju udjela Cr-Mo-V. Toplinskaobrada ovih čelika sastoji se od kaljenja (gašenje u vodi ili ulju) i popuštanja niskog do srednjeg(250 – 350 °C). Povoljna mehanička svojstva mogu se postići i izotermičkim poboljšavanjem pri250 – 350 °C na bainitnu mikrostrukturu. Visoka čistoća čelika potrebna je zbog postizanjadovoljne lomne žilavosti i dinamičke izdržljivosti. Vrijednosti granice razvlačenja kreću se urasponu 1500 – 1800 N/mm2, a vrijednosti istezljivosti između 6 – 13%. Nedostaci ovih čelika su:korozijska nepostojanost, vodikova krhkost pri galvanskom prevlačenju i zavarivanju,napostojanost u metalnim tvorevinama i sklonost anizotropiji. Karakteristike nekih čelika oveskupine navedene su u tablici 5.

Tablica 5 – Niskolegirani niskopopušteni čelici - mehanička svojstva i kemijski sastav

Oznaka čelika Kem. Sastav, %

Toplinska obrada Mehanička svojstva

ϑA, °C gašenje ϑP, °CRm, N/mm2

sred.Rp0,2, N/mm2

min.A5, %min.

KUDVM, Jmin.

41SiNiCrMoV7-5 0,41 C, 0,8 Cr, 0,4 Mo, 0,1 V,. 890-910 ulje 300 1800 1600 6 27

36NiCrMoV7-3 0,36 C, 0,35 Mo, 0,1 V,... 850-870 ulje 200 1800 1500 6 30

30CrMoV9 0,3 C, 0,25 Mo, 0,15 V,... 850-870 ulje, voda 230 1980 1640 10 35

30NiCrMnSi6-4 0,3 C, 1,15 Mn, 1,05 Si,... 900 ulje 250 1850 1600 13 60

4.5.2. Visokolegirani visokopopušteni čelici

Približni kemijski sastav ovih čelika je: 0,4% C, oko 1% Si, oko 5% Cr, 1,3 – 2% Mo, 0,4 – 1% V, auz to sadrže i male količine Mo, Nb i W. Ukupan udio legirnih elemenata prelazi 5% i zato ovaskupina spada u visokolegirane čelike. Legirni elemanti imaju zadaću stvaranja karbida. Toplinskaobrada ovih čelika sastoji se od kaljenja i visokog popuštanja. Popuštanjem pri temperturama 500 –550 °C dolazi do raspada zaostalog austenita i izlučivanja karbida popuštanja tipa Cr7C3, Mo2C, VCi V4C3, čija je posljedica povišenje tvrdoće u odnosu na tvrdoću nakon kaljenja (tzv. "sekundarnootvrdnuće"). Kod ovih čelika postiže se potpuna prokaljenost i za velike dimenzije (promjeri i do300 mm). Postizive vrijednosti vlačne čvrstoće su i do 2000 N/mm2, a do tih vrijednosti dinamičkaizdržljivost ostaje u omjeru Rd ≈ 0,5∙Rm.Ovi čelici (tablica 6) su poznati kao alatni čelici za topli rad, ali se primjenjuju i kod izrade tlačnihspremnika.



Tablica 6 – Visokolegirani visokopopušteni čelici - mehanička svojstva i kemijski sastav

Oznaka čelika Kem. Sastav, %

Toplinska obrada Mehanička svojstva

ϑA, °C gašenje ϑP, °CRm, N/mm2

max.Rp0,2, N/mm2

max.A5, %min.

KUDVM, Jmin

X41CrMoV5-1 0,41 C, 0,4 V, 0,12 Nb.. 1020-1050ulje, zrak,

topla kupka550-650 1900 1600 6-8 24-34

X40CrMoV5-1 0,40 C, 0,1 V,... 1020-1060ulje, zrak,

topla kupka550-650 1960 1650 6-8 24-34

4.5.3. Temomehanički obrađeni čelici

Kod ove grupe čelika visoka granica razvlačenja, čvrstoća i visoka sigurnost od krhkog loma uzrelativno dobru duktilnost, postignuta je kombinacijama postupaka oblikovanja deformiranjem itoplinske obrade kaljenja i izotermičkog poboljšavanja.Deformiranje se odvija ili prije ili za vrijeme transformacije mikrostrukture (termomehaničkaobrada), ili nakon faznih pretvorbi (mehanotermička obrada). Mehanizmi očvrsnuća kodtermomehaničke obrade kaljivih čelika su: povišenje gustoće dislokacija pri oblikovanju austenita ipri njegovoj pretvorbi u martenzit, promjena sastava i morfologije martenzita, stvaranje razgranatemreže granica podzrna u toplo deformiranom austenitu i stvaranje sitnih jednolično raspoređenihkarbida tijekom popuštanja. Termomehaničke i mehanotermičke metode obrade koje se danas primjenjuju jesu sljedeće:

– "Ausforming" postupak,– TRIP (Transformation Induced Plasticity) postupak,– "Perliforming" postupak,– "Isoforming" postupak,– "Marforming" postupak.

Ausforming postupakAusforming je postupak termomehaničke obrade koji se sastoji od oblikovanja metastabilnogaustenita plastičnim deformiranjem pri konstantnoj temperaturi. Za postupak su posebno prikladnivisokolegirani čelici odvojenih područja perlita i bainita – čelici sa što većim područjem tromostimetastabilnog austenita na pretvorbu (obično između 350 i 600°C). Deformacija austenita mora seodvijati ispod temperature rekristalizacije. Uzrok povišenja čvrstoće je velika gustoća dislokacijanastalih deformacijom koje ostaju i nakon pretvorbe u martenzit. Temperatura oblikovanja i brzinadeformacije ne utječu na očvrsnuće. Jedini utjecajni faktor je stupanj deformacije. Ovim postupkompovisuje se granica razvlačenja za oko 30%, a da se pritom ne pogoršava duktilnost. Također sepovisuje dinamička izdržljivost i postiže se visoka lomna žilavost. Nedostatak je povišenaanizotropnost strukture i svojstava.

Postupak TRIPPostupak je sličan ausformingu, a primjenjuje se za austenitne čelike precizno reguliranog sastava(tzv. TRIP čelici) kod kojih je moguća pretvorba prethodno precipitacijski otvrdnutog austenita udeformacijski inducirani martenzit valjanjem pri okolišnoj temperaturi (tzv "zerolling" valjanje),slika 15.



Slika 15 – Dijagram postupka TRIP

Perliforming postupakRiječ je o mehanotermičkoj obradi jer se deformacija perlita odvija nakon kontinuirane iliizotermičke pretvorbe iz austenita. Postupak se provodi u području perlita, a do očvrsnuća dolazideformiranjem u temperaturnom rasponu 500 – 700 °C (slika 16). Strukturu perlita oblikovanog natim temperaturama karakterizira nestanak lamela cementita (prelaze u globule) te nastanak sitnepoligonalne podstrukture ferita u zrnima reda veličine 1 μm. Postupak je primjenjiv za nelegirane iniskolegirane podeutektoidne i eutektoidne čelike. Perliforming utječe na prelaznu temperaturučelika i osigurava višu Rp0,2 od obične toplinske obrade, uz zadovoljavajuću istezljivost A.

Slika 16 – Dijagram perliforming postupka - kontinuirani i izotermički

Isoforming postupakKod ovog postupka deformiranje se odvija pri izotermi (između 500 i 700 °C) prije i za vrijemefazne pretvorbe austenita u perlit (slika 17). Rezultat je vrlo sitnozrnata perlitna mikrostrukturanastala rekristalizacijom austenita. Sve pojave pri isoformingu osnivaju se na očvrsnuću austenita ineposredno stvorenog novog perlita. Rezultat termomehaničke obrade sličan je kao kodperliforminga. U tablici 7 navedena su mehanička svojstva za neke isoforming obrađene čelike.



Slika 17 – Dijagram isoforming postupka prikazan u izotermičkom TTT dijagramu

Tablica 7 – Mehanička svojstva isoforming obrađenih čelika

Isoforming – oblikovanje ε = 70% pri 600 °C

Oznaka čelika Rm, N/mm2 Rp0,2, N/mm2 A5, % KV pri 20° C, J ϑPrel, °C (za 54 J)

30Mn5 800 735 21,5 195 -96

34Cr4 865 715 22 155 -

34CrMo4 860 770 14 100 -120

Marforming postupakOvim postupkom deformira se martenzitna mikrostruktura i to na dva načina: ili između dvapopuštanja zakaljenog čelika – tzv. deformacijsko popuštanje, ili tijekom popuštanja (dozrijevanjaili starenja) zakaljenog čelika – tzv. dinamičko deformacijsko starenje (slika 18). U ovom slučajumartenzit je otvrdnut deformacijom, nije njome i nastao kao kod TRIP postupka. Postiže se znatnopovišenje granice razvlačenja, uz samo malo sniženje istezljivosti. Za provođenje ovog postupkaprikladni su čelici sa 0,3 – 0,4 %C kod kojih u kaljenoj strukturi prevladava masivni martenzit nadigličastim

Slika 18 – Postupak marforming – dinamičko deformacijsko starenje



4.5.4. Korozijski postojani precipitacijski očvrsnuti čelici

Razvojem korozijski postojanih precipitacijski očvrsnutih čelika (PH – Precipitation Hardenedčelika) željelo se ostvariti visoku granicu razvlačenja uz istovremeno zadržavanje visoke korozijskepostojanosti. Kod precipitacijski očvrsnutih čelika očvrsnuće se postiže kroz postupak rastvornog žarenja idozrijevanja, a do očvrsnuća dolazi izlučivanjem karbida, nitrida i/ili precipitata intermetalnihspojeva. Oko fino raspršenih precipitata zbog izvitoperenosti rešetke dolazi do pojave unutarnjihnaprezanja što otežava gibanje dislokacija i time raste čvrstoća i tvrdoća legure.S obzirom na mikrostrukturu prije precipitacije razlikuju se:

– martenzitni PH-čelici,– poluaustenitni PH-čelici,– austenitni PH-čelici.

Martenzitni PH-čeliciOvi čelici sadrže približno oko 0,05% C, 14-17% Cr, 4-6% Ni, oko 3% Cu, uz dodatke Mo, Al iNb(<0,4%). Postupak očvrsnuća provodi se preko toplinske obrade koja se sastoji od rastvornogžarenja na oko 1050 °C, zatim gašenja u ulju ili na zraku i na kraju slijedi dozrijevanje natemperaturi 400-600 °C (slika 19). Dozrijevanjem se unutar martenzita stvorenog gašenjem izlučujuprecipitati bakra, a manja količina zaostalog austenita transformira se u martenzit.

Slika 19 – Toplinska obrada martenzitnih PH-čelika

Poluaustenitni PH-čeliciImaju sličan kemijski sastav kao i martenzitni PH-čelici (0,05-0,1% C, 13-17% Cr, 7-9% Ni) uzneke od dodataka Mo, Ti, Al, V i N. Gašenjem s temperature rastvornog žarenja do sobnetemperature postiže se austenitno-feritna mikrostruktura koja ima dobru obradivost odvajanjemčestica. Nakon toga austenit, kojeg ima 60-90%, prevodi se u martenzit na jedan od 3 načina:

– hlađenjem s temperature žarenja (pri 920-960 °C ili pri 720-760 °C) nastaje sekundarnimartenzit kao u završnom stadiju popuštanja,

– hladnim oblikovanjem pri čemu nastaje deformacijski martenzit (provodi se vrlorijetko),

– dubokim hlađenjem (provodi se vrlo rijetko).



Tako dobivena martenzitno-feritna mikrostruktura s eventualno niskim udjelima zaostalog austenitapodvrgava se dozrijevanju pri temperaturama od 480 do 600 °C. Tijekom dozrijevanja u feritu, azatim u martenzitu precipitiraju slijedeće vrste faza (ovisno o sastavu čelika): Ni3Al, Ni3Ti, Fe2Mo,VN. Postizive vrijednosti Rp0,2 dostižu i do 1800 N/mm2, ovisno o temperaturi dozrijevanja.Mehanička svojstva za neke poluaustenitne PH-čelike navedena su u tablici 8.

Tablica 8 – Mehanička svojstva poluastenitnih PH-čelika

Oznaka čelikaDozrijevanjeϑd, °C / t, h

Rm, N/mm2 Rp0,2, N/mm2 A5, %

X7CrNiAl17-7 510/1 1650 1550 6

X6CrNiTi17-7 455/1 1850 1800 2

X8CrNiMo17-5 500/3 1300 1060 12

X10CrCoMoV14-14-5 2 x 370/2 2050 1510 10

Austenitni PH-čeliciTo su niskougljični čelici sa manje od 0,1% C, visokolegirani s 14-18% Cr i sa više od 25% Ni, uzdodatak jednog ili više legirnih elemenata: Mo (1-2,5%), Ti (<2%), Cu (<3%), Al (<0,35%),Nb(<0,45%), P (<0,25%), V, Mn, Si i N.Toplinska obrada sastoji se od rastvornog žarenja pri 950 – 1200 °C i dozrijevanja pri 700 – 800 °Cu trajanju od 15 do 20 sati. Kako ovdje nema pretvorbe u martenzit postiže se skromno očvrsnuće(Rp0,2 do 900 N/mm2) i to samo precipitacijom faza tijekom dozrijevanja. To su pretežno faze Ni3Al iNi3Ti, a u manjoj mjeri σ-faze (FeCr, FeMo), Fe2Mo, Fe36Cr12Mo10, Cr2N, VC i VN ovisno o sastavučelika. Unatoč postojanju precipitata, austenitni čelici su otporni na opću koroziju nakondozrijevanja, ali nisu otporni na napetosnu koroziju. Tablica 9 sadrži parametre toplinske obrade isvojstva nekih austenitnih PH-čelika.

Tablica 9 – Parametri toplinske obrade i mehanička svojstva austenitnih PH-čelika

Oznaka čelikaToplinska obrada Mehanička svojstva

ϑrž, °C ϑd, °C / t, h Rm, N/mm2 Rp0,2, N/mm2 A5, % KUDVM, J

X5NiCrTi26-15 900 725/16 1000 700 25 110

X30CrNiMn19-9-4 1120 730/16 1180 880 19,5 -

X42CrNiMn 1180 800/9 950 620 15 30

4.5.5. Maraging čelici

Naziv maraging dolazi iz engleskog "martensite aging" (dozrijevanje martenzita). Po sastavu suniskougljični čelici sa manje od 0,03% C, visokolegirani u ternarnom sustavu Fe-Ni-Co ilipodsustavima Fe-Ni-Cr i Fe-Co-Cr s dodacima Mo,Ti, Al i Co i eventualno B i Zr. Uobičajenosadrže oko 18% Ni, 7-14% Co, 3-6% Mo 0,15-2% Ti, 0,05-0,2% Al. Visoka čvrstoća ovih čelikadolazi od precipitacije intermetalnih spojeva.Toplinska obrada maraging čelika sastoji se od rastvornog žarenja na temperaturi oko 820 °C idozrijevanja pri temperturi oko 480 °C (slika 20). Nakon rastvornog žarenja čelik se moraintenzivno gasiti u vodi, ulju ili na zraku čime se dobiva prezasićeni masivni nikl-martenzit. Žarenjei gašenje se obično provodi u čeličani. Dozrijevanjem u nikl-martenzitu precipitira niz finodispergiranih intermetalnih spojeva čiji sastav ovisi o sastavu čelika (Ni3Al, Ni3Ti, Fe2Mo,



(Fe,Co)2Mo, FeCr itd.). Ove faze visoke tvrdoće sprječavaju gibanje dislokacija i tako povisujugranicu razvlačenja (Rp0,2 > 2200 N/mm2) i vlačnu čvrstoću (Rm = 1900-2900 N/mm2). Pri takovisokim vrijednostima granice razvlačenja vrlo su povoljne vrijednosti lomne žilavosti. Ostalekarakteristike maraging čelika su: izvrsna plastična svojstva, velika stabilnost pri toplinskoj obradi,izvrsna zavarljivost i osrednja postojanost pri niskim i visokim temperaturama. U tablici 10navedeni su parametri obrade i postiziva svojstva za neke čelike ove skupine.

Slika 20 – Dijagram postupka toplinske obrade maraging čelika

Tablica 10 – Mehanička svojstva "maraging" čelika

Oznaka čelika

Toplinska obrada Mehanička svojstva nakon dozrijevanja

Rastvorno žarenjeϑrž, °C / t, h

Dozrijevanjeϑd, °C / t, h

Rm, N/mm2 Rp0,2, N/mm2 A5, % KUDVM, J

X2NiCoMo18-8-5 820/1 480/3 1920 1720 8 20

X2NiCoMo18-9-5 820/1 480/3 1960 1910 7 30

X2NiCoMoTi18-12-4 820/1 500/6 2350 2260 6 10

4.5.6. Primjena visokočvrstih i ultračvrstih čelika

Visokočvrsti i ultračvrsti čelici primjenjuju se kod statički i dinamički visokoopterećenihkonstrukcija. Koji će se čelik primjeniti ovisi o kombinaciji svojstava koja se zhtjevaju kododređene primjene (npr. da li su bitnija mehanička svojstva ili otpornost na koroziju). Primjeriprimjene su visokotlačni spremnici kod transportnih zrakoplova i brodova, kućišta raketnih motora(slika 21) i slične konstrukcije.



Slika 21 – Kućište raketnog motora izrađenog od "maraging" čelika

4.6. Korozijski postojani čelici

Korozija je spontano razaranje materijala pod djelovanjem okolnog medija zbog kemijskih ilielektrokemijskih procesa. Korozijskim procesima dolazi do promjena na površini ili u nutrini kojeizazivaju gubitak materijala i promjenu svojstava. Vrste korozije su kemijska (kemijske reakcije napovršini npr. oksidacija) i elektrokemijska (pod djelovanjem elektrolita), a osnovni oblici korozijekod čelika su: opća korozija, rupičasta korozija, korozija u procjepu (zazoru), interkristalnakorozija, i drugi tipovi selektivne korozije (erozija, kavitacija, tribokorozija).Korozijska postojanost predstavlja sposobnost materijala da se suprotstavi negativnom djelovanjukorozivnog medija. Procjenjuje se i mjeri preko: gubitka mase (debljine) i volumena, promjenemehaničkih i ostalih svojstava tijekom korozijskog djelovanja, opažanja pojava površinskogoštećenja ili strukturnih promjena u nutrini presjeka kao i na druge načine. Korozijski je postojanijionaj materijal kod kojeg u jednakim vanjskim uvjetima dolazi do manje intenzivnog razaranja napovršini ili do neželjenih promjena mikrostrukture. Postoje dva osnovna uvjeta korozijske postojanosti čelika.Prvi uvjet jest da maseni udio kroma u čeliku mora biti barem 12% (i više), s time da krom morabiti potpuno otopljen u metalnoj osnovi, a nikako ne smije biti sastvani dio karbida ili drugihstrukturnih tvorevina. Krom s kisikom iz zraka na površini čelika formira stabilni oksidni sloj kojisprečava daljnju oksidaciju i koroziju u normalnim uvjetima. Taj pasivni sloj je ekstremno tanak (1do 5 nm), vrlo dobro prianja uz površinu nehrđajućeg čelika i samoobnovljiv je u različitimmedijima.Drugi uvjet korozijske postojanosti čelika je monofazna mikrostruktura. Kod čelika čija semikrostruktura sastoji samo od jedne faze izbjegnuta je opasnost od nastajanja glavanskih članakakoji u vodljivom mediju mogu prouzročiti korozijsko trošenje materijala. Korozijski postojani čelici se mogu podijeliti prema kemijskom sastavu na: Cr, Cr-Ni, Cr-Ni-Mo iCr-Mn čelike.Prema mikrostrukturi ovi čelici mogu se podijeliti na:

– martenzitne (supermartenzitne),– martenzitno-feritni,– feritne,– austenitne,– dupleks (feritno-austenitne).



4.6.1. Martenzitni korozijski postojani čelici

Martenzitni korozijski postojani čelici su legure iz sustava Fe-Cr-C. Njihovo osnovno svojstvo jeizvanredna kombinacija dobre korozijske postojanosti, visoke tvrdoće i čvrstoće, dobre otpornostina toplinski i mehanički umor i izvrsne otpornosti na trošenje. Mehanička svojstva i kemijskapostojanost martenzitnih nehrđajućih čelika ovise o kemijskom sastavu i provedenoj toplinskojobradi. Martenzitni nehrđajući čelici nemaju tako dobru korozijsku postojanost kao druginehrđajući čelici jer često imaju dvofaznu martenzitno-karbidnu mikrostrukturu. Udio ugljika krećese u rasponu 0,15 – 1%, a udio kroma je u pravilu preko 13%. Često sadrže i vanadij, molibden inikal. Mala toplinska vodljivost ovih čelika zahtjeva postepeno ugrijavanje na temperaturuaustenitizacije i gašenje u ulju ili u vakuumu (zbog opasnosti od oksidacije). Što je viši udio C i Crto će biti potrebna viša temperatura austenitizacije da se otopi što više ugljika u austenitu (zbogzakaljivosti) i što više kroma (zbog korozijske postojanosti).Legirni elementi prije toplinske obrade mogu biti jednim dijelom otopljeni u austenitnoj ili feritnojmetalnoj osnovi, a ostatak (Cr, W, Mo, V i Ti) može s ugljikom tvoriti karbide. Ova raspodjelalegirnih elemenata ima važnu ulogu u formiranju mikrostrukture i postizanju željenih svojstava.Postupnim otapanjem karbida na visokoj temperaturi, ugljik i karbidotvorci prelaze u austenit ipreostale karbide. Posljedica toga su sve niže temperature Ms i Mf, više zaostalog austenita umikrostrukturi i lošija mehanička svojstva.Toplinska obrada martenzitnih korozijski postojanih čelika sastoji se od sljedećih faza:

1. Žarenje (sferoidizacijsko)2. Austenitizacija3. Gašenje4. Popuštanje5. Duboko hlađenje (po potrebi)6. Višestruko popuštanje

Žarenje (sferoidizacijsko)Martenzitni nehrđajući čelici isporučuju se u žarenom stanju zbog lakšeg oblikovanja u traženioblik. Žarenjem se smanjuje tvrdoća, poboljšava oblikovljivost u hladnom stanju i obradivostodvajanjem čestica.

AustenitizacijaCilj je postizanje austenitne mikrostrukture sa potpuno ili djelomično otopljenim karbidima.Parametri austenitizacije (T, t) su ključni za postizanje željenih svojstava čelika, prije svega tvrdoćei korozijske postojanosti.

Gašenje (nadkritično hlađenje)Većina martenzitnih čelika je kaljiva na zraku, ali se gašenje uglavnom provodi u ulju da se osigurapotpuni prelaz austenita u martenzit. Zaostali austenit snizuje tvrdoću, doprinosi smanjenju žilavostinakon popuštanja, a može se izbjeći dubokim hlađenjem. U gašenom stanju čelik je tvrd, izrazitokrhak i s puno zaostalih naprezanja.

Duboko hlađenjeProvodi se kod martenzitnih čelika kojima je Mf temperatura ispod sobne. Dubokim hlađenjem savzaostali austenit prelazi u martenzit. Sredstvo za hlađenje može biti suhi led ili tekući dušik, a da sespriječi toplinski šok brzina hlađenja ne biti veća od 2 °C/min. Zaostali austenit vrlo sporo prelazi umartenzit tako da je vrijeme hlađenja između 24 i 36 sati.



Popuštanje (visokotemperaturno)Cilj i svrha popuštanja je povišenje žilavosti martenzita postignutog kaljenjem, sniženje zaostalihnaprezanja u martenzitu i postizanje dimenzijske stabilnosti pretvorbom zaostalog austenita umartenzit i karbide popuštanja. Temperatura popuštanja je uvijek niža od temperature pretvorbe uaustenit.Sastav i svojstva nekih martenzitnih nehrđajućih čelika opisani su tablicama 11 i 12.

Tablica 11 – Kemijski sastav martenzitnih nehrđajućih čelika

Oznaka čelikaMaseni udio pojedinih elemenata, %

C Simaks.

Mnmaks.

Nimaks.

Pmaks.

Smaks.

Cr ostali

X12Cr13 0,12 1 1,5 0,75 0,04 0,015 11,5-13,5

X15Cr13 0,15 1 1 - 0,04 0,015 12-14

X55CrMo14 0,55 1 1 - 0,04 0,015 13-15 Mo: 0,5-0,8, V:0,15

X40CrMoVN16-2 0,40 1 1 0,5 0,04 0,015 14,16 Mo: 1-2,5, V:1,5, N:0,1-0,3

Tablica 12 – Mehanička svojstva martenzitnih nehrđajućih čelika

Oznaka čelika Stanje Rm, N/mm2 Rp0,2, N/mm2 A, %

X12Cr13 Žareno 485 275 20

Srednje popušteno 690 550 15

Visoko popušteno 825 620 12

X15Cr13 Žareno 485 275 20



X55CrMo14 Žareno 760 - -



X40CrMoVN16-2 Žareno 760 450 14

Posebna podskupina u ovoj grupi čelika su supermartenzitni nehrđajući čelici poznatih i podnazivom mekomartenzitni čelici. Razvijeni su krajem 20. stoljeća kao alternativa za skupljeaustenitne i dupleks nehrđajuće čelike. Zahvaljujući nižem udjelu ugljika imaju bolju zavarljivost, auz to i bolju žilavost i korozijsku postojanost od drugih martenzitnih čelika. Posjeduju visokukorozijsku postojanost u tekućinama koje sadrže CO2, ali su ograničeno postojani na H2S.

4.6.2. Feritni korozijski postojani čelici

Feritni nehrđajući čelici su legure temeljene na Fe-Cr-C sustavu u kojima je glavni legirni elementkrom, a mogu sadržavati i manju količinu Mo, Ti, Nb i drugih elemenata. Zadržavaju feritnustrukturu pri gotovo svim temperaturama pa se ne mogu zakaliti i feromagnetični su. Osnovnakarakteristike ovih čelika su: dobra otpornost na napetosnu i rupičastu te koroziju u procijepu.Primjenjuju se u slučajevima gdje je otpornost na koroziju važnija od mehaničkih svojstava. Ne



primjenjuju se na temperaturi višoj od 400°C zbog nastanka krhkih faza. Teže se zavaruju, osobitovrste sa srednjim i visokim sadržajem kroma. Određeno povećanje čvrstoće feritnih čelika mogućeje postići dodavanjem dušika i ugljika ali to nosi opasnost od pojave krhkosti. U praksi se, zapovećanje čvrstoće feritnih čelika, najčešće koristi hladna deformacija. Feritni čelici se najčešćeisporučuju u žarenom i toplo valjanom stanju.Postoje tri uzroka smanjenja žilavosti feritnih čelika: krhkost 475 °C, izazvana alfa-prim (α') fazom,formiranje sigma faze i visokotemperturna krhkost. Krhkost 475 °C javlja se kod duljeg držanja feritnog čelika na temperaturama između 425 i 550 °Czbog nastajanja α'-faze. Ova pojava izaziva povećanje tvrdoće i vlačne čvrstoće i drastičan padžilavosti, istezljivosti i korozijske postojanosti. Kristalna struktura α'-faze jednaka je onoj α-faze(bcc-rešetka), ali ima potpuno različit kemijski sastav. Dok je α-faza bogata željezom, α'-faza jebogata kromom (oko 80% Cr), a uz to je nemagnetična i ekstremno sitna (15 do 30 nm). Sitniprecipitati α'-faze u mikrostrukturi se mogu uočiti kao nešto šire granice i tamnija unutrašnjostferitnog zrna. Pojava krhkosti 475°C je reverzibilna, α'-faza se otapa, a dobra svojstva čelikavraćaju žarenjem na temperaturi između 550 i 600°C.Do pojave krhkosti kod feritnih čelika može doći i nastajanjem σ-faze koja se javlja kod legura sa20-70 %Cr na temperaturama od 500 do 800°C. Nastajanje σ-faze ima poguban utjecaj namehanička i korozijska svojstva čelika. Sklonost nastanku σ-faze raste s povećanjem sadržaja Cr iMo, pri čemu molibden ima 4 do 5 puta veći utjecaj od kroma. Uklanjanje σ-faze obavlja sekratkotrajnim žarenjem čelika na temperaturi iznad 800 °C.Uzrok visokotemperaturne krhkosti kod feritnih čelika su mikrostrukturne promjene na temperaturiod 0,7×Tt koje nastaju pri zavarivanju i termomehaničkoj obradi čelika. Na visokoj temperaturiintersticijski elementi su otopljeni u feritu (ili feritu i austenitu), a hlađenjem nastaju karbidi, nitridii karbonitridi u obliku sitnih precipitata. Osjetljivost čelika na ovaj tip krhkosti ovisi o udjelu Cr iintersticijskih elemenata (C, N, O) i o veličini kristalnih zrna. Promjene narušavaju žilavost ikorozijsku postojanost čelika, a mogu se ukloniti žarenjem čelika na temperaturi između 730 i 790°C. Za neke feritne čelike svojstva su navedena u tablici 13.

Tablica 13 – Mehanička svojstva feritnih nehrđajućih čelika

Oznaka čelika Rm, N/mm2 (min.) Re, N/mm2 (min.) A, % (min.)

X2CrMoTi18-2 415 275 20

X2CrTi12 380 170 20

X2CrTiNi18 415 205 22

X6CrMo17-1 450 240 22

Superferitni nehrđajući čelici (ELA – Extra Low Aditions)Povišenjem čistoće sastava čelika pročišćavanjem u vakuumskim pećima i u elektronskom mlazu,sniženjem udjela C, povišenjem udjela Cr i Mo te dodatkom stabilizatora Ti i Nb mogu se poboljšatineka od loših svojstava feritnih čelika. Na taj se način postiže povišena otpornost na napetosnu,rupičastu i interkristalnu koroziju, povišena žilavost na niskim temperaturama i povišena granicarazvlačenja.

4.6.3. Martenzitno-feritni korozijski postojani čelici

Ovi čelici sadrže do 0,2% C i 13-17% Cr, a optimalna svojstva postižu se u kaljenom i visoko-popuštenom stanju. Njihova je čvrstoća, tvrdoća i otpornost na trošenje viša od feritnih čelika, aliim je zato manja korozijska postojanost. Za razliku od feritnih čelika ne naginju krhkosti. Postojani



su na djelovanje vode, vodene pare i vlažnog zraka.

4.6.4. Austenitni korozijski postojani čelici

Kod ove vrste čelika maseni udio ugljika treba biti što manji (<0,15% C) jer je onda manja opasnostod stvaranja karbida tipa Cr23C6. Osnovni legirni elementi su Cr (16-26%), Ni (8-20%) i Mn (4-15,5%, a kao dodatni legirni elementi služe Mo, N, Al, Cu, Ti, Nb, Ta, Se i S (tablica 14). Ni sedodaje kao gamageni element koji mora prevladati alfageno djelovanje Cr da bi se mogla formiratiaustenitna mikrostruktura. Dodatno legiranje s Mo, Ti, Nb i Ta pospješuje pojavu ferita umikrostrukturi ili djeluje stabilizirajuće kod opasnosti od interkristalne korozije, a povišen maseniudio N djeluje naročito na povišenje čvrstoće i na otpornost na napetosnu i rupičastu koroziju. Se iS se eventualno dodaju radi poboljšavanja obradivosti odvajanjem čestica.Kod ovih čelika postoji opasnost od pojave interkristalne korozije zbog precipitacije karbida pogranicama zrna (senzibilizacije). Duljim zadržavanjem između 425 i 870°C formiraju se pogranicama zrna karbidi tipa M23C6, a količina karbida ovisi o temperaturi i vremenu. Formiranjekarbida smanjuje sadržaj kroma u području oko granica zrna i ako njegov udio u željeznoj matricipadne ispod 12%, u tom području može doći do interkristalne korozije. Senzibilizacija takođersmanjuje otpornost na rupičastu, napetosnu i koroziju u procjepu, a degradiraju se i mehaničkasvojstva. Senzibilizacija se može spriječiti izborom čelika sa manjim udjelom ugljika i onih koji ukemijskom sastavu imaju stabilizatore Ti i/ili Nb. Ako je već došlo do senzibilizacije stanje se možepopraviti kratkotrajnim žarenjem na visokoj temperaturi uz naglo hlađenje ili dugotrajnim žarenjemna nižoj temperaturi.Austenitni čelici su nemagnetični, dobro oblikovljivi u hladnom stanju, imaju dobru žilavost na vrloniskim temperaturama i visoku otpornost na puzanje pri visokim temperaturama. Očvršćivanje semože provesti samo hladnom deformacijom. Vrijednosti vlačne čvrstoće kod austenitnih čelikakreću se u rasponu 520-760 N/mm2, granice razvlačenja 205-275 N/mm2, a istezljivost je vrlovisoka i kreće se u rasponu 40-60% (tablica 15).

Tablica 14 – Austenitni nehrđajući čelici – kemijski sastav


C Simaks.

Mnmaks.

Ni Pmaks.

Smaks.

Cr Momaks.

N Timaks.

X2CrNi18-9 0,02 1 2 8-10,5 0,045 0,015 17,5-19,5 - maks. 0,11 -

X2CrNiN18-10 0,02 1 2 8,5-11,5 0,045 0,015 17,5-19,5 - 0,11-0,22

X5CrNi18-10 0,05 1 2 8-10,5 0,045 0,015 17,5-19,5 - maks. 0,11 -

X6CrNi25-20 0,06 0,7 2 19-22 0,035 0,015 24-26 - maks. 0,1 -

X5CrNiMo17-12-2 0,05 1 2 10-13 0,045 0,015 16,5-18,5 2-2,5 maks. 0,11 -

X6CrNiMoTi17-12-2 0,06 1 2 10,5-13,5 0,045 0,015 16,5-18,5 2-2,5 - 0,7

X1CrNiMoN25-22-2 0,01 0,7 2 21-23 0,025 0,01 24-26 2-2,5 0,1-0,16 -



Tablica 15 – Austenitni nehrđajući čelici - mehanička svojstva

Oznaka čelika Rm, N/mm2 Rp0,2, N/mm2 KV, pri+20°C, J

KV, pri-196°C, J

A, %Grupa čelika poCR ISO 15608

X2CrNi18-9 450-700 180 100 60 35-45 8.1

X2CrNiN18-10 550-760 270 100 60 30-40 8.1

X5CrNi18-10 500-750 195 100 60 35-45 8.1

X6CrNi25-20 510-750 200-220 100 - 35 8.2

X5CrNiMo17-12-2 510-710 205 100 60 35-45 8.1

X6CrNiMoTi17-12-2 500-700 200-240 100 60 30-40 8.1

X1CrNiMoN25-22-2 540-740 260 100 60 35-40 8.2

Austenitni čelici sniženog masenog udjela ugljikaRadi se o posebnoj podvrsti austenitnih nehrđajućih čelika kod kojih maseni udio ugljika iznosimanje od 0,03%. Sniženjem udjela ugljika postiže se povećana otpornost na interkristalnu korozijuzbog manje mogućnosti stvaranja Cr-karbida, ali je snižena čvrstoća i otpornost na puzanje.Zavarljivost i oblikovljivost je bolja nego kod klasičnih austenitnih čelika.

4.6.5. Dupleks (austenitno-feritni) čelici

Dupleks čelici imaju dvofaznu mikrostukturu koja se sastoji od ferita i austenita. Omjer faza ovisi okemijskom sastavu i toplinskoj obradi i većinom se kreće na razini 50:50. Osnovni legirni elementisu Cr i Ni, a još se dodaju N, Mo, Cu, Si, W. Ovi čelici ne ispunjavaju drugi osnovni uvjetkorozijske postojanosti (monofazna mikrostruktura), ali je zato povećana postojanost na napetosnukoroziju u kloridnom okolišu kao i na H2S. Korozijska postojanost ovih čelika ugrubo je na raziniaustenitnih čelika, dok su vrijednosti Rm (700-1100 N/mm2) i Rp0,2 (500-800 N/mm2) više nego kodaustenitnih čelika. Vrijednosti udarnog rada loma kreću se do 170 J. Svi dupleks čelici primarno kristaliziraju kao 100%-tni ferit. Daljim hlađenjem formira seaustenitna faza, prvo po granicama, a onda i po određenim kristalografskim ravninama unutarferitnog zrna. Pri procesu transformacije ferita u austenit, legirni elementi koji stabiliziraju austenit(ugljik, nikal, dušik i bakar) difundiraju u austenit, a legirni elementi koji podržavaju ferit (krom,molibden i volfram) otapaju se u feritu. Količina austenita ovisi o brzini ohlađivanja ferita, vrsti iudjelu legirnih elemenata te o brzini difuzije svakog pojedinog legirnog elementa. Optimalna faznaravnoteža kod dupleks čelika postiže se pri podjednakim volumnim udjelima ferita i austenita. Zatose za određeni kemijski sastav brzina ohlađivanja podešava tako da u temperaturnom intervaluizmeđu 1050 i 1150 ̊C u mikrostrukturi ima 50% ferita i 50% austenita. Dalje se hlađenje nastavljagašenjem u vodi što osigurava zadržavanje postignutog faznog omjera i na sobnoj temperaturi.Osim postizanja izbalansiranog omjera ferita i austenita, gašenjem se također sprečava nastanakštetnih mikrostrukturnih faza koje se mogu formirati na temperaturama ispod 1000°C pri sporomhlađenju. Vrsta i količina precipitiranih faza ovisna je o vremenu i temperaturi, a njihovoizlučivanje uzrokuje snižavanje mehaničkih svojstava i korozijske postojanosti. Pseudobinarnidijagram stanja za sustav Cr-Ni-Fe prikazuje slika 22.



Slika 22 – Pseudobinarni dijagram stanja Cr-Ni-Fe uz 70% Fe

Tablica 16 sadrži kemijski sastav za neke dupleks čelike, a njihova mehanička svojstva prikazana sutablicom 17.

Tablica 16 – Dupleks nehrđajući čelici - kemijski sastav


C Si Mn Ni P S Cr Mo N Cu

X2CrNiN23-4 0,02 1 2 3,5-5,5 maks. 0,035 maks. 0,015 22-24 0,1-0,6 0,05-0,2 0,1-0,6

X2CrNiMoN22-5-3 0,02 1 2 4,5-6,5 maks. 0,035 maks. 0,015 21-23 2,5-3,5 0,1-0,22 -

X2CrNiMoCuN25-6-3 0,02 0,7 2 6-8 maks. 0,035 maks. 0,015 24-26 3-4 0,2-0,3 1-2,5

X2CrNiMoN25-7-4 0,02 1 2 6-8 maks. 0,035 maks. 0,015 24-26 3-4,5 0,24-0,35 -

X2CrNiMoSi18-5-3 0,02 1,4-2 1,2-2 4,5-5,2 maks. 0,035 maks. 0,015 18-19 2,5-3 0,05-0,1 -

Tablica 17 – Dupleks nehrđajući čelici - mehanička svojstva

Oznaka čelika Rm, N/mm2 Rp0,2, N/mm2 KV, pri +20°C, J A, %Grupa čelika poCR ISO 15608

X2CrNiN23-4 600-850 400 90 20-25 10.1

X2CrNiMoN22-5-3 640-950 450 100 20-25 10.1

X2CrNiMoCuN25-6-3 690-1000 500 90 20-25 10.2

X2CrNiMoN25-7-4 730-1000 530-550 90 15-25 10.2

X2CrNiMoSi18-5-3 680-900 400-450 100 25 10.1



4.6.6. Primjena korozijski postojanih čelika

Korozijski postojani čelici primjenjuju se u industrijama gdje su konstrukcije i dijelovi konstrukcijaizloženi agresivnim medijima. Primjeri su kemijska, petrokemijska i procesna industrija (slika 23).

Slika 23 – Tlačni spremnik izrađen od dupleks nehrđajućeg čelika

Boce za ronjenje se najčešće izrađuju od nehrđajućih čelika (slika 24).

Slika 24 – Boce za ronjenje izrađene od austenitnog nehrđajućeg čelika

4.7. Čelici za povišene i visoke temperature

Kod čelika i željeznih materijala do 180 °C nema bitnijih promjena mehaničkih svojstava, pa se tetemperature smatraju niskim. Radne temperature od 180 do 450 °C za čelik su povišene, a oneiznad 450 °C visoke jer pri njima počinje puzanje čelika. Na temperaturama iznad 180 °C dolazi do promjena kod mehaničkih svojstava čelika. Snizuje segranica razvlačenja, vlačna čvrstoća i modul elastičnosti, a istovremeno se povisuje duktilnost ižilavost. Isto tako, na visokim temperaturama može doći do visokotemperaturne oksidacije,pougljičavanja ili razugljičavanja, te do pojava toplinske dilatacije, toplinskog šoka i toplinskogumora. Promjene mehaničkih svojstava pri povišenim i visokim temperaturama prikazuje slika 25.



Slika 25 – Promjena mehaničkih svojstava s povišenjem temperature

Što je viša temperatura uz konstantno naprezanje u radu, to je veća brzina puzanja. Uz to, što je višenaprezanje kod konstantne temperature, to je veća brzina puzanja i kraće vrijeme do pojave loma.Različiti čelici pokazuju veću ili manju otpornost na puzanje pri nekoj temperaturi i radnomopterećenju (slika 26).

Slika 26 – Pojava puzanja pri visokim temperaturama

Povišenjem temperature dinamička izdržljivost se smanjuje ili uopće nije izražena (slika 27).



Slika 27 – Promjena savojne dinamičke izdržljivosti austenitnog čelika povišenjem temperature

Za izbor materijala i proračun mehanički opterećenih dijelova konstrukcija pri povišenimtemperaturama bitna su sljedeća mehanička svojstva:

– Rp0,2/ϑ – vrijednost konvencionalne granice razvlačenja pri radnoj temperaturi,– Rm/ϑ – vrijednost vlačne čvrstoće pri radnoj temperaturi,– Eϑ – vrijednost modula elastičnosti pri radnoj tempertauri,– Aϑ – vrijednost istezljivosti pri radnoj temperaturi,– Rp1/t/ϑ – vrijednost granice puzanja pri radnoj temperaturi za definirano vrijeme

ispitivanja. To je ono naprezanje koje nakon djelovanja u definiranom trajanju pridefiniranoj temperaturi izaziva trajnu deformaciju od 1%,

– RDVM/ϑ – granica puzanja po DVM pri definiranoj temperaturi,– Rm/t/ϑ – vrijednost statičke izdržljivosti pri definiranoj temperaturi za određeno vrijeme

djelovanja opterećenja. To je ono naprezanje koje nakon definiranog vremena djelovanja na nekoj temperaturi izaziva lom.

Kako bi se poboljšala mehanička otpornost pri povišenim temperaturama čelici trebaju pomogućnosti sadržavati u kristalu mješancu legirne elemente koji koče pokretljivost atoma (npr. Mo iCo). Zatim, čelici se legiraju takvim elementima (Cr, Mo, W, V, Ti) koji tvore teško topive stabilnespojeve, karbide, nitride i intermetalne faze koji u obliku sitno dipergiranih čestica otežavajugibanje dislokacija. Kod izbora legura prednost treba dati materijalima s kubično plošnocentriranom (FCC) rešetkom kod koje je pokretljivost atoma znatno manja nego kod prostornocentrirane kubične (BCC) rešetke. Poželjno je upotrebljavati čelike sa grubljim zrnom ili čelike sabainitnom mikrostrukturom koja daje optimalnu otpornost na puzanje pri temperaturama oko 500°C.

Vrste mehanički otpornih čelika pri povišenim temperaturama su:– ugljični (nelegirani) čelici,– niskolegirani čelici,– visokolegirani martenzitni čelici– visokolegirani austenitni čelici.

Čelici za rad na visokim temperaturama su:– vatrootporni čelici.



4.7.1. Ugljični (nelegirani) čelici

Primjer čelika iz ove skupine su čelici za kotlovske limove.

Na osnovi uvjeta rada od čelika za kotlovske limove traže se sljedeća svojstva:– dovoljna čvrstoća pri povišenim temperaturama radi djelovanja tlaka,– zadovoljavajuća duktilnost (žilavost) kako bi se plastičnom deformacijom razgradila

lokalna koncentracija naprezanja ili moguća preopterećenja,– otpornost na dozrijevanje radi toga što čelik može biti hladno očvrsnut tijekom

oblikovanja deformiranjem,– umjerena korozijska otpornost prema vodi, vodenoj pari i lužinama,– otpornost na interkristalnu koroziju,– vrlo dobra zavarljivost.

Za ove čelike zajamčen je kemijski sastav i mehanička svojstva za koje su po normama propisanesljedeće karakteristike:

– sastav: niski % C(< 0,2 %) radi zavarljivosti, > 0,40 (0,55) % Mn radi postojanosti nadozrijevanje, > 0,02%, Al radi dezoksidacije taljevine, < 0,30 %Cr,

– vlačna čvrstoća (Rm) pri sobnoj temperaturi,– granica razvlačenja (Rp0,2) pri sobnoj i povišenim temperaturama do 400 °C,– granica puzanja (RDVM) pri temperaturama od 400 do 475 °C,– istezljivost A5 min = 9810/Rm %,– udarni rad loma KU = 58 J nakon dozrijevanja pri 250 °C/1…2 sata,– statička izdržljivost: pri ϑ = 400 °C: Rm/100000 = 130 N/mm2; pri ϑ = 450 °C:

Rm/100000 = 70 N/mm2; pri ϑ = 500 °C: Rm/100000 = 30 N/mm2

Tablica 18 sadrži karakteristike za tipična dva predstavnika ove skupine, čelik P235GH i P265GH.

Tablica 18 – Nelegirani čelici za kotlovske limove (izvod iz DIN-a 17175)

Oznaka čelikaKemijski sastav, % Rm, N/mm2 Rp0,2 min., N/mm2 pri °C RDVM, N/mm2 pri °C

C, maks. Mn, min. 20 200 400 400 450 475

P235GH 0,16 0,40 350-450 210 160 100 90 50 (30)

P265GH 0,20 0,50 410-500 240 180 120 100 60 (40)

4.7.2. Niskolegirani Mo i Mo-Cr čelici

Kod nelegiranih kotlovskih čelika pri temperaturama višim od 450 °C dolazi do rekristalizacijematrice i koagulacije cementita. Te se pojave kod niskolegiranih čelika za povišene temperaturesprječavaju legiranjem karbidotvorcima Mo, Cr i V koji stvaraju kvalitetnije karbide (Cr7C3, Mo2C,V4C3) koji koče gibanje dislokacija i usporavaju puzanje, povećavaju prokaljivost i otpornost napopuštanje. Mo dodatno povisuje temperaturu rekristalizacije i sprečava pojavu krhkosti popuštanja,a krom djeluje još na povišenje mehaničke otpornosti istezljivosti i oksidacijske postojanosti. Ovičelici radi zavarljivost imaju nizak udio ugljika (< 0,25%). Područje primjene je do 550 °C jer privišim temperaturama Mo2C karbidi postepeno prelaze u Mo6C karbide te koaguliraju, a metalnamatrica osiromašuje na Mo što snižava rekristalizacijsku temperaturu. Ovi čelici se pretežnoizrađuju u obliku cijevi i limova. Mikrostruktura ime je feritno-perlitna ako su normalizirani ilibainitna ako su poboljšani. Mehanička svojstva ovih čelika navedena su u tablici 19.



Tablica 19 – Niskolegirani Mo i Mo-Cr čelici za rad pri visokim temperaturama

Oznaka čelika

Mehanička svojstva

Rm, N/mm2

pri 20°C

Rp0,2, N/mm2, pri °C Rp1/10000, N/mm2, pri °C A5,%min.

KV, Jmin.20 200 400 500 450 500 530 580

C35E 500-650 280 216 147 - 59 25 - - 21 -

15Mo3 440-570 260 255 177 147 216 147 85 23 48

13CrMo4-4 440-590 290 275 206 177 186 78 22 48

22CrMo4-4 640-790 490 343 255 172 74 18 41

10CrMoV8-10 440-590 260 245 206 186 157 83 47 20 55

24CrMoV5-5 690-830 540 412 304 235 324 206 98 17 57

4.7.3. Visokolegirani super 12% Cr martenzitni čelici

Ova skupina čelika razvijena je iz martenzitne vrste X20Cr13 modificiranjem sastava kako bi seostvarila veća mehanička otpornost pri temperaturama (do 600 °C) te istovremeno zadržala velikapostojanost na opću koroziju. Čelici moraju sadržavati Mo (oko 1%) i do 12% Cr, pa se uz pravilnoizvedeno kaljenje postiže potpuno martenzitna mikrostruktura uz što manji udio δ-ferita. Otpornostna puzanje kod ovih čelika povisuje dipserzija karbida i precipitacija intermetalnih spojeva uzistovremeno otapanje Cr i Mo u martenzitu. Čelici su otporni na djelovanje vodika i na sulfidnunapetosnu koroziju (SSC) ako su popušteni na tvrdoću manju od 24 HRC. Kako sadrže Mo nisupodložni "krhkosti 475" kao feritni nehrđajući čelici. Dugotrajno izlaganje ovih čelikatemperaturama iznad 620 °C uzrokuje umnažanje i koagulaciju karbida i intermetalnih spojeva čimese snižava otpornost na koroziju i puzanje. Toplinska obrada ovih čelika sastoji se od kaljenja i visokotemperaturnog popuštanja(poboljšavanja). Temperature popuštanja kao i postiziva mehanička svojstva visokolegiranih super12% Cr martenzitnih čelika ilustrira tablica 20.

Tablica 20 – Visokolegirani super 12% Cr martenzitni čelici – mehanička svojstva

Oznaka čelikaPopušteno

ϑp °C

Mehanička svojstva pri 20 °CKratkotrajno vlačno

spitivanjeDugotrajno vlačno

ispitivanje

Rm,N/mm2

Rp0,2,N/mm2

min.

A5,%min.

KV, Jmin.

Rp0,2, N/mm2, pri ϑ °C Rp1/104, N/mm2, pri ϑ °C

200 400 500 600 500 550 600

X19CrMo12-1 700-750 700-800 500 16 40 432 353 264 108 245 140 60

X11CrMoV12-1 560-620 930-1130 785 14 48 700 600 500 300 200 85 35

X20CrMoV12-1 680-750 700-850 500 16 40 432 353 264 108 245 145 77

X22CrMoV12-1 720-750 800-950 600 14 27 530 423 344 206 295 168 80

X19CrMoVNb11-1 550-700 900-1050 780 10 20 700 580 470 315 360 200 12

X20CrMoWV12-1 700-750 800-950 600 14 27 530 423 377 206 260 160 60



4.7.4. Visokolegirani austenitni Cr-Ni čelici

Ovim čelicima osim austenitne mikrostrukture s FCC rešetkom, mehaničku otpornost pri visokimtemperturama dodatno poboljšava legiranje s Mo, W, V, Ti i Nb koji omogućuju izlučivanje karbidate precipitaciju toplinski postojanih intermetalnih faza. Kod ovih čelika očvrsnuće se postižerastopnim žarenjem i gašenjem, rastopnim žerenjem i dozrijevanjem te toplim valjanjem idozrijevanjem. Višestruko visokolegirani čelici (X50CoCrNi20-20-20, X5NiCrTi26-15,X6NiCrMoTi28-15) dozrijevanjem mogu vrlo jako očvrsnuti.Kod ove skupine čelika čvrstoća porastom temperature pada sporo, a zbog visoke temperaturerekristalizacije (iznad 900 °C, pa čak i iznad 1000 °C) moguća je dugotrajna primjena pritemperaturama od 600 do 750 °C.Prema režimima toplinske obrade austenitni Cr-Ni čelici podijeljeni su u 3 skupine. Skupina Iprimjenjuje se u rastopno žarenom i gašenom stanju, skupina II se podvrgava dozrijevanju pritemperaturama višim od radnih, kod skupine III dozrijevanje se provodi uz hladno/toplo valjanje(slika 28).Uz veliku otpornost na puzanje ovi čelici imaju i vrlo dobru kemijsku postojanost, odnosnovatrootpornost.

Slika 28 – Dijagrami postupaka toplinske obrade austenitnih toplinski visokopostojanih čelika

4.7.5. Vatrootporni čelici

Glavno svojstvo vatrootpornih čelika jest da zadržavaju dobra mehanička svojstva, ali i visokuotpornost na visokotemperaturnu koroziju (oksidaciju) tijekom dugotrajne uporabe na visokimtemperaturama. Pri temperaturama višim od 550 °C zbog djelovanja vrućeg zraka, vodene pare, agresivnih plinova iplamena, kod čelika dolazi do kemijske korozije izazvane intenzivnom oksidacijom. Kodnelegiranih čelika na površini se stvaraju željezni oksidi (FeO, Fe3O4, Fe2O3) koji nisu dovoljnokompaktni da bi spriječili daljnju difuziju kisika i porast debljine sloja, pa s vremenom dolazi doljuštenja sloja i stvaranja novog oksidnog sloja. Kako bi se čelik zaštitio od stvaranja ogorina uobliku ljuski, dodatno se legira elementima koji imaju viši afinitet prema kisiku od željeza (Cr, Si,Al) i koji stvaraju tanke kompaktne okside koji dobro prianjaju uz površinu. Na taj način čelikpostaje otporan na intenzivnu oksidaciju odnosno otporan ljuskanju ili vatrootporan.Za potpunu vatrootpornost gubitak mase ne smije biti veći od 1 g/m2h (pri definiranoj temperaturi)ili najviše 2 g/m2h (pri 50 °C višoj temperaturi) tijekom 120 sati izloženosti struji plinova kojisadrže kisik. Tokom ispitivanja, svaka 24 sata ispitni se uzorak hladi i s njega skida ogorina.

Fakultet strojarstva i brodogradnje 40


Od vatrootpornih čelika u praksi se često traži osim velike otpornosti na oksidaciju i dovoljnamehanička otpornost tj. dovoljna granica razvlačenja pri povišenim temperaturama i dovoljnaotpornost na puzanje izražena preko vrijednosti granice puzanja Rp1 za 1000 sati. Kod nekih čelikavatrootpornost i mehanička otpornost nisu jednako povoljne te tada uvjeti rada određuju koja će odtih svojstava doći u prvi plan pri izboru materijala.Prema mikrostrukturi vatrootporni čelici mogu biti feritni (legirani sa Cr, Si i Al) ili austenitni(legirani sa Cr, Ni, Si, Al i Ti), tablica 21. Razlog tome je što vatrootporni čelici ne smiju imatimikrostrukturnih pretvorbi kod kojih dolazi do promjene volumena. Austenitni čelici su otporni naplinove s mnogo dušika, otporniji puzanju od feritnih, ali i znatno skuplji. Feritni čelici imaju nižuotpornost na puzanje, skloni su pogrubljenju zrna nakon zavarivanja ili dugotrajne izloženostivisokim temperaturama što inducira krhkost, ali su otporniji na plinove koji sadrže sumpor.

Tablica 21 – Vatrootporni čelici

Oznaka čelika *Žarenje°C/sred

Mehanička svojstva pri 20 °C Rp1/10000, N/mm2 pri ϑ °C Vatrootporn-ost na zraku

do °CRm,

N/mm2Rp0,2,

N/mm2A5, %min.

500 600 700 800 900 1000

X10NiCrAlTi32-20

F

750-800/z,v 420-620 220 20 50 17,5 4,7 2,1 1,0 - 800

X10CrSi13 750-800/z 540-690 345 15 60 21 5,5 2,2 0,8 - 950

X10CrAl18 800-850/z 490-640 295 12 60 21 5,5 2,2 0,8 0,4 1050

X10CrAl24 800-850/z,v 520-720 280 10 50 17,5 4,7 2,1 1,0 0,4 1150

X15CrNiSi25-20

A

1050-1100/v,z 550-800 230 30 105 37 12 5,7 1,8 1150

X15CrNiSi20-12 1050-1100/z,v 550-750 230 30 80 25 10 4 1,8 1100

X12NiCrSi36-16 1050-1100/z,v 550-800 230 30 80 35 15 5 1,8 1100

X10NiCrAlTi32-20 1050-1100/v 540-740 245 40 85 35 15 5 2, 1050

*F - ferit, A – austenit; z – zrak, v - voda

4.7.6. Primjena čelika za povišene i visoke temperature

Čelici za povišene i visoke temperature primjenjuju se kod termoenergetskih postrojenja za izradugeneratora pare (parnih kotlova – slika 29) i izradu plinskih i parnih turbina. Koriste se također zatlačno opterećene dijelove kod kemijskih i procesnih postrojenja i u metalurškim pogonima, te kodmotora s unutarnjim izgaranjem, raketa (slika 30) i svemirskih brodova.

Slika 29 – Parni kotao izrađen od ugljičnog (nelegiranog) čelika



Slika 30 – Kućište raketnog motora izrađeno od visokolegiranog Cr-Ni čelika

4.8. Čelici za niske i snižene temperature

Pod niskim temperaturama podrazumijevaju se one od -40 °C pa sve do apsolutne ništice. S padomtemperature se općenito povisuju: tvrdoća, vlačna čvrstoća, granica razvlačenja i osjetljivost naurezno djelovanje, a padaju vrijednosti: istezljivosti, udarnog rada loma, kontrakcije presjeka,specifičnog toplinskog kapaciteta, toplinske rastezljivosti i toplinske vodljivosti.Osnovni zahtjev u primjeni čelika pri niskim temperaturama je dovoljna žilavost odnosno otpornostna pojavu krhkog loma. Kako će sniženje temperature utjecati na promjenu svojstva čelika ovisiponajprije o njegovoj kristalnoj rešetci. Čelici sa FCC kristalnom rešetkom imaju u pravilu većuotpornost na pad žilavosti pri nižim temperaturama od čelika sa BCC rešetkom.Vrijednost udarnog rada loma pri radnoj temperaturi i visina prijelazne temperature (slika 31)gotovo su jedini kriteriji za izbor čelika za primjenu na niskim temperaturama. Kao "hladno žilav"definira se onaj čelik koji pri temperaturi od -40 °C postiže vrijednost udarnog rada loma od 27 J iliima prijelaznu temperaturu žilavosti nižu od -40 °C. Za postizanje dovoljno visoke žilavosti priniskim temperaturama čelici moraju imati posebno podešen kemijski sastav i mikrostrukturu.

Slika 31 – Ovisnost udarnog rada loma o temperaturi za razne materijale



U primjeni se razlikuju tri osnovne skupine čelika:

Niskolegirani (mikrolegirani) sitnozrnati čeliciTo su mikrolegirani čelici povišene čvrstoće koji se u normaliziranom stanju primjenjuju do -50 °C,a u poboljšanom stanju do -80 °C. Niža prijelazna temperatura dolazi kao posljedica sitnog zrna,dezoksidacije aluminijem i silicijem i više čistoće od klasičnih konstrukcijskih čelika. Kodpoboljšanih čelika dodaci Al, Nb i Mn pomiču MS temperaturu na niže, pa se mikrostrukturnepretvorbe kod toplinske i termomehaničke obrade odvijaju pri nižim temperaturama.

Čelici legirani s Ni (1,5 - 9%) za poboljšavanjePrimjenjuju se u temperaturnom području od -85 °C do -200 °C. Jedan od najdjelotvornijihelemenata za povećanje žilavosti pri niskim temperaturama je nikal jer pospješuje stvaranje sitnogzrna i vrlo žilavog Fe-Ni martenzita (kod "maraging" čelika) nakon kaljenja. Ovi čelici nemajuveliku otpornost na koroziju kao austenitni čelici i skloni su pojavi krhkosti nakon popuštanja, pa sestoga nakon popuštanja ubrzano hlade.

Cr-Ni i Cr-Ni-N (Nb,Ti), Cr-Ni-Mo-N i Cr-Mn-Ni-N austenitni čeliciZadržavaju dovoljnu žilavost i pri temperaturama blizu apsolutne nule tako da se primjenjuje zatemperature sve do -270 °C. Glavni problem u primjeni austenitnih čelika su još nedovoljnoistražene miksrostrukturne transformacije austenita u tzv. deformacijski ε-martenzit pri niskimtemperaturama. Zbog velikog toplinskog rastezanja sniženjem temperature dolazi do znatnijihsmanjenja dimenzija, što kod upetih konstrukcija može izazvati naprezanja viša od granicerazvlačenja, tj. izazvati hladno očvrsnuće, pojavu ε-martenzita i predispoziciju za napetosnukoroziju.Na slici 32 prikazan je utjecaj sniženih temperatura na vrijednost udarnog rada loma tipičnihpredstavnika čelika ove skupine.

Slika 32 – Ovisnost KV o temperaturi tipičnih vrsta čelika za rad pri niskim temperaturama

Tablice 22 i 23 daju uvid u kemijski sastav i mehanička svojstva čelika namjenjenih za rad priniskim temperaturama.



Tablica 22 – Čelici za niske temperature - kemijski sastav


C Si Mn Ni Pmaks.

Smaks.

Momaks.

Vmaks.

Nbmaks.

Almaks.

11MnNi5-3 0,11 max 0,5 0,7-1,5 0,3-0,8 0,025 0,01 - 0,05 0,05 0,02

13MnNi6-3 0,13 max 0,5 0,85-1,7 0,3-0,85 0,025 0,01 - 0,05 0,05 0,02

12Ni14 0,12 0,15-0,35 0,3-0,8 3,25-3,75 0,02 0,005 - 0,05 - -

X12Ni5 0,12 max 0,35 0,3-0,8 4,75-5,25 0,02 0,005 - 0,05 - -

X7Ni9 0,07 max 0,35 0,3-0,8 8,5-10 0,015 0,005 0,1 0,01 - -

X10Ni9 0,10 0,15-0,35 0,3-0,8 8,5-9,5 0,02 0,005 0,1 0,01 - -

Tablica 23 – Čelici za niske temperature - mehanička svojstva

Oznaka čelika Rm, N/mm2 Re, N/mm2 KV, J, pri +20°C KV, J, (ϑisp)Grupa čelika po CR ISO

15608

11MnNi5-3 410-530 285 45-50 27 (-60 °C) 9.1

13MnNi6-3 490-610 355 45-50 27 (-60 °C) 9.1

12Ni14 490-640 355 45-50 27 (-100 °C) 9.2

X12Ni5 510-710 390 50-60 27 (-120 °C) 9.2

X7Ni9 680-820 585 100 80 (-196 °C) 9.3

X10Ni9 690-840 510 50 27 (-196 °C) 9.3

4.8.1. Primjena čelika za niske i snižene tempearture

Ovi čelici se primjenjuju za spremnike tekućih plinova pod tlakom (slika 33), cjevovode za tekućeplinove i uređaje u tehnici hlađenja. Primjenjuju se također za izradu tlačnih spremnika namjenjenihza uporabu na geografskim širinama gdje se temperature spuštaju ekstremno nisko (polarni isubpolarni predjeli, Sibir,...), a koji bi u normalnim okolnostima mogli biti izrađeni i od običnihčelika.

Slika 33 – Spremnik tekućeg dušika



5. Kompozitni materijali

Kompozitni materijali su heterogeni materijali koji se sastoje od više materijala sa ciljem dobivanjatakvih svojstava kakva ne posjeduje niti jedna komponenta sama za sebe. Glavne prednosti kompozitnih materijala u odnosu na tradicionalne konstrukcijske materijale suviša specifična čvrstoća i specifična krutost, relativno bolja otpornost na koroziju i mogućnost"dizajniranja" svojstava. Nedostaci su: kompliciran popravak kod proizvoda proizvedenih odkompozita, konstrukcijski problemi (spajanje kompozitnih dijelova, izrada provrta), anizotropijasvojstava, nelinearno ponašanje materijala, interlaminarna naprezanja i slično.Svi kompozitni materijali sastoje se od dvije komponente: matrice i ojačala. Uloga matrice jepovezivanje ojačala, prenošenje opterećenja na ojačalo i zaštita ojačala od okolnih utjecaja ioštećenja. Matrica mora prianjati uz vlakna i ne smije kemijski reagirati sa ojačalom. Onapoboljšava žilavost cijele konstrukcije, svojstva u poprečnom smjeru i otpornost na koroziju.Ojačalo mora prije svega imati visoku čvrstoću i visoki modul elastičnosti (krutost), a isto tako popotrebi mora zadovoljavati i neka druga svojstva (toplinska vodljivost, otpornost na trošenje,...).Ukupno ponašanje kompozita ovisi o sljedećem: svojstvima matrice i ojačala, veličini i rasporedu(raspodjeli) konstituenata, volumnom udjelu konstituenata, obliku konstituenata i prirodi i jakostiveze među konstituentima.Ojačala kod kompozitnih materijala mogu biti u obliku čestica ili vlakana i viskera. Matricekompozita mogu biti: metalne (Al, Ti, Cu, Mg legure i superlegure), polimerne (poliesterske smole,vinilesterske smole, epoksidne smole, akrili, PA, PP, ABS, PPS, PEEK, PEI itd.) ili keramičke(Al2O3, SiC, ZrO2 itd.). Od kompozitnih materijala najčešće se koriste oni sa polimernom matricom čije su prednosti:korozijska postojanost na zraku i u nizu medija, visoka specifična čvrstoća, visoka specifičnakrutost, jednostavna proizvodnja, i relativno niža cijena u odnosu na ostale kompozite. Kao ojačalakod polimernih kompozita koriste se staklena, aramidna, ugljična i hibridna vlakna. Staklena vlaknase dobivaju iz SiO2 na temperaturi iznad 1600 °C. Njihova proizvodnja je relativno jednostavna,izvor sirovine za proizvodnju je praktički neiscrpan i jeftina su. Imaju relativno dobra mehaničkasvojstva, ali nisku žilavost. Aramidna vlakna su sastavljena od linearnih makromolekula koje su sastavljene od aromatskihskupina povezanih amidnim ili imidnim vezama, od kojih je najmanje 85% neposredno vezano nadva aromatska prstena (aramid – aromatski poliamid). Ova vlakna su izrazito žilava što je povezanosa strukturom, tj. s jedinstvenim mehanizmom loma (širenja pukotine). Vlakna ne pucaju krhko(kao staklena ili ugljična), već se lom događa kao posljedica niza puknuća pojedinačnihmolekularnih lanaca, a koja su orjentirana u smjeru vlakana. Ti pojedinačni lomovi apsorbirajuvelike količine energije što na makrorazini rezultira s velikim udarnim radom loma. Njihove dobrekarakteristike su: visoka čvrstoća i dinamička izdržljivost, otpornost na abraziju, dobra kemijska itoplinska postojanost, samogasiva su i neškodljiva. Loše karakteristike su izrazita anizotropnostmehaničkih svojstava i slaba adhezija sa matricom.Kod ugljičnih vlakana atomi ugljika su relativno pravilno složeni u kristalnoj rešetci, povezani uravnini čvrstim kovalentnim vezama u šesterokute koji su međusobno povezani Van der Wallsovimsilama. Ovaj tip vlakana ima vrlo visoku čvrstoću i krutost, ali su najskuplja.Hibridna vlakna predstavljaju kombinacije svih vrsta vlakana (ugljik/aramid, aramid/staklo,ugljik/staklo).

Tlačni spremnici od kompozitnih materijala (slika 34) uobičajeno se proizvode postupkomnamatanja koje može biti vijčano, prstenasto ili polarno. Namatanje je vrlo brza i ekonomičnametoda kod koje se može regulirati udio smole na vlaknima. Troškovi su manji jer se koriste



pojedinačna vlakna, a ne tkanja. Moguće je postići odlična mehanička svojstva, ako optrećenjedjeluje u smjeru vlakana.S druge strane, ovim je postupkom moguće dobiti jedino konveksan oblik proizvoda, a smještajvlakana na različite oblike nije uvijek lagan (npr. uzdužno). U slučaju izrade velikih djelovatroškovi mogu biti vrlo visoki, a vanjska površina proizvoda nije uvijek estetski prihvatljiva.

Slika 34 – Tlačni spremnici od polimernog kompozita



6. Neželjezne legure

Neželjezne legure koje se koriste za izradu tlačnih spremnika su:– Al-legure,– Cu-legure,– Ti- legure,– Ni-legure.

Al-legure

Čisti aluminij je lagan, mekan, izdržljiv, istezljiv i deformabilan. Dobro provodi struju i toplinu,dade se dobro zavarivati, ima dobar omjer vlačne čvrstoće i gustoće i potpuno je recikličan.Aluminij vrlo brzo reagira sa kisikom iz zraka i time se na površini stvara sloj Al2O3 od nekolikonm koji je kompaktan što ga čini otpornim na koroziju u dosta medija. Otpornost na koroziju semože još dodatno povećati rafinacijom (povećanjem čistoće).Aluminij se vrlo često legira bakrom, magnezijem, silicijem, manganom, kromom, cinkom i drugimmetalima, i to uglavnom zbog povećanja čvrstoće i tvrdoće. Legiranje uglavnom nepovoljno djelujena korozijsku postojanost, a najštetnije je u tom pogledu dodavanje bakra koje inače bitnopoboljšava mehanička svojstva aluminija.Tlačni spremnici od aluminija (slika 35) moraju imati deblje stjenke od onih čeličnih, no nižagustoća aluminija to dobro kompenzira. Ukupno gledano aluminijske legure su korozijskipostojanije od čelika, ali kod aluminija postoji veća opasnost od oštećenja (savijanje, uleknuća)nego kod čelika.

Slika 35 – Tlačni spremnik izrađen od aluminija

Cu-legure

Legure bakra općenito imaju vrlo visoku otpornost na koroziju. Hladno vučeni bakar ima čvrstoćuod 340 N/mm2, lako se oblikuje i obrađuje. Legure bakra se dijele na one sa cinkom (mjedi) i na onebez cinka (bronce). Mjedi posjeduju dobru električnu i toplinsku vodljivost, dobra mehaničkasvojstva, moguće ih je prerađuivati i u hladnom i u toplom stanju i imaju dobru otpornost nakoroziju. Hladno gnječene mjedi se označavaju kao α-mjedi dok se one toplo gnječene označavajukao α+β-mjedi. Bronce po kemijskom sastavu mogu biti: kositrene, aluminijeve, berilijeve,silicijeve, olovne i olovno-kositrene.Bakarne legure se kod tlačne opreme uglavnom koriste za armature parnih kotlova.



Ti-legure

Legure titana mogu doseći vrijednosti čvrstoće od 1500 N/mm2, a gustoća im je oko 40% niža odgustoće čelika. Uz to, imaju značajnu otpornost na umor i puzanje, malu toplinsku rastezljivost iveliku postojanost u raznim agresivnim medijima. Titanove legure su dobro zavarljive pod zaštitnimplinom ili u vakuumu, ali su teško obradljive postupcima odvajanja čestica jer su vrlo žilave, apostoji i opasnost od zapaljenja strugotine. Titan je vrlo skup.

Ni-legure

Nikal ima visoku otpornost na koroziju, dobra mehanička svojstva i lako se obrađuje i oblikuje.Otporan je na koroziju u različitim sredinama, te na djelovanje atmosferskih plinova (na zrakusporo oksidira), vode, halogenih elemenata i sumpora na sobnoj temperaturi, a zagrijavanjem mu sereaktivnost povećava. Prema lužinama je otporan sve do 500 °C. Niklove legure su vrlo žilave izadržavaju dobra mehanička svojstva i pri visokim temperaturama.Koriste se za izradu tlačnih spremnika u kemijskoj i farmaceutskoj industriji (slika 36).

Slika 36 – Tlačni spremnik izrađen od Ni-legure



7. Zaključak

Tlačni spremnici su konstrukcije kod kojih postoji opasnost od pojave teških nesreća, pa iz togaproizlaze specifični zahtjevi na materijale od kojih su takve konstrukcije izrađene. Od kojeg ćematerijala spremnik na kraju biti izrađen, ovisi o namjeni spremnika, uvjetima eksploatacije, cijenimaterijala i drugim faktorima, a zahtjevi na materijale od kojih se izrađuju tlačni spremnicipropisani su pravilnicima i normama.Nemoguće je općenito odrediti koji je materijal ili grupa materijala najbolja za izradu tlačnihspremnika. Svaki materijal koji zadovoljava osnovne zahtjeve ulazi kao jedna od opcija koja semože odabrati, a da li će na kraju biti odabran najprikladniji materijal, na kraju najviše ovisi oznanju i iskustvu inženjera. U današnje vrijeme tlačni spremnici se i dalje najčešće proizvode odčelika, no sve češća je uporaba i drugih vrsta materijala, ponajprije kompozitnih, zbog višespecifične čvrstoće i mogućnosti "dizajniranja" svojstava. Postoje mnogi primjeri u praksi gdje seza izradu tlačnih spremnika koriste razne vrste materijala. Kod boca za ronjenje koriste seuglavnom aluminij i nehrđajući čelici, a oba izbora materijala imaju svoje mane i svoje prednosti.Boce za ronjenje izrađene od čelika imaju tanje stjenke jer čelik ima višu čvrstoću od aluminija, paunatoč tome što aluminij ima značajno nižu gustoću od čelika, čelične boce za ronjenje imaju manjumasu. Čelične boce za ronjenje uz to imaju veću otpornost na pojavu loma, veću otpornost napuzanje i manju vjerojatnost da će doći do oštećenja kao što je recimo nekakvo uleknuće zbogudarca. S druge strane aluminijske boce za ronjenje su puno otpornije na pojavu korozije.Današnji razvoj materijala odvija se primjenom znanstvenih pristupa, interdisciplinarnomsuradnjom fundamentalnih i primjenjenih disciplina, kvantitativnih metoda i računala. Po nekimprocjenama u posljednjih 60-tak godina u primjenu je ušlo toliko vrsta materijala koliko u svimprethodnim stoljećima zajedno i danas raspolažemo sa 70 – 100 000 različitih vrsta tehničkihmaterijala. Dalji razvoj materijala imat će utjecaja i na trendove u proizvodnji tlačnih spremnika. Nesamo na izbor materijala od kojih će se tlačni spremnici za pojedine namjene izrađivati, već i nakonstrukcijske karatkteristike samih tlačnih spremnika (oblik, masa, nosivost itd.).



8. Literatura

[1] Filetin T., Kovačiček F., Indof J., Svojstva i primjena materijala, Fakultet strojarstva ibrodogradnje, Zagreb, 2013.[2] Matković T., Matković P., Fizikalna metalurgija I, Metalurški fakultet, Sisak, 2009.[3] Novosel M., Krumes D., Posebni čelici, SF, Slavonski Brod, 1998.[4] http://www.steelnumber.com/, preuzeto 3.9.2016.[5] Kruz V., Tehnička fizika, Školska knjiga, Zagreb, 1963.[6] Kraut B., Strojarski priručnik, Tehnička knjiga, Zagreb, 2009.[7] Novosel M., Cajner F., Krumes D., Alatni materijali, Strojarski fakultet u Slavonskom Brodu,Slavonski Brod, 1996.[8] Freyer D., Harvey J., High pressure vessels, Springer, Berlin, 1998.[9] Narodne novine: Pravilnik o tlačnoj opremi[10] EN 13445-2:2009: Unfired pressure vessels - Part 2: Materials


http://www.steelnumber.com/


9. Prilog:

1. CD


repozitorij.fsb.hrrepozitorij.fsb.hr/6277/1/Pongrac_2016_zavrsni... · 2016-09-16 · i g? ! / + #...

Documents

Transcript of repozitorij.fsb.hrrepozitorij.fsb.hr/6277/1/Pongrac_2016_zavrsni... · 2016-09-16 · i g? ! / + #...